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Le Verifiche finali prima di rilasciare un circuito stampato in produzione

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di Pier Alessandro Aisa e Tiziano Vecchi

Questo articolo è destinato ai progettisti elettronici che vogliano realizzare circuiti stampati e non hanno mai avuto esperienze di masterizzazione PCB. Viene data una linea guida organizzata con regole da seguire, per la verifica della correttezza del circuito stampato, prima di rilasciarlo in produzione. Difatti l’errore anche triviale è sempre dietro l’angolo come visto in alcuni video sul canale Youtube (https://www.youtube.com/c/PierAisa).

Specialmente se si realizza un circuito stampato per la prima volta possono emergere delle criticità, che ad un primo esame non sono state identificate. Le seguenti regole derivano dall’esperienza accumulata su molti progetti e da un’ epoca in cui la materia si studiava seriamente:

  • in laboratorio si realizzavano circuiti stampati degli schemi ideati ed il tutto era rivisto e controllato da progettisti elettronici esperti, come docenti che svolgevano la libera professione.
  • esisteva una materia chiamata disegno elettronico dove si imparava a disegnare schemi leggibili e I relativi circuiti stampati, realizzati anche a mano.
  • Chi deve cominciare da zero con le giuste informazioni e tanta pratica puo facilmente sopperire alle carenze del sistema scolastico

In questo articolo si farà riferimento:

  • ad un software CAD-CAE chiamato EasyEDA, che è uno strumento gratuito che non ha bisogno di installazioni su PC, ma gira sul web. I concetti qui riportati, rimangono validi anche ad altri software utilizzati per la realizzazione del circuito stampato. Manuale disponibile al link https://easyeda.com/Doc/Tutorial/Doc/EasyEDA_Tutorial_20170920.pdf
  • ad un costruttore di PCB specifico, JLCPCB, ma le regole valgono anche per gli altri.

Le linee guida verranno elencate di seguito in ordine cronologico di esecuzione.

 

1. Verifica della completezza dello schema elettrico

E’ necessario verificare che a schema elettrico siano presenti tutti i componenti previsti. In particolare, verificare:

  • Le connessioni consigliate nella prima pagina dei datasheet dei componenti usati
  • L’inserimento di tutti i condensatori di bypass (tipicamente 100nF ceramici) sui componenti digitali, circuiti integrati, vicino alle alimentazioni dei componenti
  • La presenza sulle alimentazioni dei condensatori elettrolitici in prossimità dei punti di massimo assorbimento di corrente
  • La presenza delle indicazioni luminose necessarie (LED), ad esempio alimentazione (di solito verde), segnalazione di guasto (di solito rosso) o di presenza comunicazione
  • Il tipo di montaggio dei componenti selezionati THT o SMD sia come voluto
  • Le masse analogiche e le masse digitali siano evidenziate
  • La presenza dei jumper di configurazione desiderati o pad a saldare
  • La presenza dei test point necessari per la taratura o per future calibrazioni dell’ elettronica
  • La presenza di bottoni, interruttori per l’interazione con l’utente
  • La presenza di dissipatori per I componenti che lo prevedono e la loro connessione a massa se lo prevedono
  • La presenza di protezioni contro l’inversione di polarità, sovra-corrente, sovratensione
  • La presenza di tutte le note testuali indispensabili per la comprensione dello schema elettrico
  • La correttezza del cartiglio con indicazione del progetto, versione e data

 

2. Verifica della correttezza dello schema elettrico (DRC)

Ogni software utilizzato per la realizzazione di circuiti stampati offre un tool chiamato DRC (Design Rule Checker). Questo strumento permette di verificare la consistenza dello schema elettrico. In particolare, è necessario:

  • verificare che siano stati piazzati tutti i componenti necessari
  • verificare che tutti I pin inutilizzati ed escluderli dal DRC dello schema
  • eseguire un controllo net per net (alcuni CAE hanno funzionalità dedicate)

Nella figura 1 è riportata la schermata di DRC di esempio che mostra:

  • l’utilizzo di 13 su 13 componenti e banalmente il conteggio dei componenti ci puo’ essere utile per verificare che abbiamo inserito tutto a schema
  • la connessione di 7/12 nets. In questo caso quindi ci sono 5 net non corrette segnalate da un simbolo di WARNING o di ERRORE. Cliccando sopra viene mostrata l’incongruenza (Figura 2). Nell’esempio specifico la connessione non è estata completata, ossia abbiamo una net non connessa. Se questo è normale si puo’ usare l’elemento “No Connect Flag” con il simbolo di una X per istruire il DRC che è corretto che quella net non sia connessa.

Figura 1: EasyEDA DRC sullo schema

Figura 1: EasyEDA DRC sullo schema indicazione dell’errore

  • In conclusione, è bene stampare lo schema generato dal CAD-CAE e confrontarlo con lo schema bozza, utilizzando l’evidenziatore per essere sicuri che non si sia dimenticato niente

 

3. Verifica della correttezza del piazzamento componenti sul circuito stampato

Verificare che:

  • Il circuito stampato sia stato aggiornato a partire dall’ultima versione dello schema elettrico. Nel dubbio fare un salvataggio dello schema elettrico e ripetere l’operazione di “Update PCB” del sw EasyEDA.
  • Le dimensioni del circuito stampato (layer Board Outline in viola in figura 3) siano come atteso, utilizzando gli strumenti di misura del tool. E’ preferibile mettere l’origine della Board Outiline a (0,0) così tutte le distanze saranno relative all’origine.

Figura 3: EasyEDA estensioni del circuito stampato (linea viola)

  • Durante il piazzamento selezionare un passo di griglia opportuno alla risoluzione che si vuole tenere, ad esempio 1mm. Attivare lo “Snap to Grid”, in modo che il tool agganci in automatico i componenti alle posizioni a passo di griglia
  • Il piazzamento dei componenti sia ottimizzato in modo da ridurre la lunghezza delle piste e permettere uno sbroglio non complicato. A questo scopo utilizzare le “Ratlines” che indicano i collegamenti da eseguire ed orientare i componenti di conseguenza
  • I connettori siano piazzati in modo che siano facilmente accessibili e compatibilmente con vincoli meccanici dati da contenitori o fissaggio della scheda
  • Siano presenti eventuali fori di fissaggio della scheda o di connessione alla terra di sicurezza
  • Decidere se si prevede un montaggio di componenti sui due lati come organizzare il piazzamento in modo da ottimizzare l’utilizzo dell’area a disposizione
  • Posizionare i condensatori di bypass vicino ad ogni integrato
  • Nel caso di segnali ad alta velocità come ad esempio il clock, il quarzo o linee ad alta velocità prevedere i componenti il più vicino possibile all’utilizzatore e in un’area ben delimitata. Seguire le indicazioni da datasheet sul layout e piazzamento
  • La presenza di fori di fissaggio e area di rispetto per I componenti che lo prevedono, come ad esempio le bobine e i grossi trasformatori
  • Identificare le aree a montaggio superficiale SMD e PTH. Una buona strategia è fare microrouting e cioè piazzare i componenti usando la funzione “cross-probe”, che mantiene le due visioni di schematico e PCB (vedi pag 46 del manuale EasyEDA). Piazzare ad esempio un bjt e piazzare i componenti piu prossimi per avere il miglior sbroglio. Dopo avere sbrogliato le singole zone si può passare all’ intera scheda.

 

4. Verifica della correttezza dello sbroglio circuito stampato (DRC PBC)

Uno sbroglio manuale è sempre preferibile ad uno automatico, perché il progettista conosce i segnali critici da curare con più attenzione. Nel caso di progetti con molte piste da tirare è possibile eseguire uno sbroglio automatico, che poi verrà corretto o modificato in manuale nelle aree più critiche.

Verificare che:

  • Il circuito stampato sia stato aggiornato a partire dall’ultima versione dello schema elettrico. Nel dubbio fare un salvataggio dello schema elettrico e ripetere l’operazione di “Update PCB” del sw EasyEDA.
  • Le geometrie dei componenti scelti siano come atteso.
  • Non ci siano piste a 90°C
  • La larghezza delle piste sia stata massimizzata rispetto all’area a disposizione, specialmente per le piste di alimentazione, che devono rispettare i vincoli di massima dissipazione del calore
  • Prevedere del zone a rame esposto specialmente per i componenti a montaggio superficiale che richiedono dissipazione termica.
  • Curare la massa, in modo che i ritorni di corrente siano adeguati all’applicazione, separando con più piste in parallelo o piani diversi le zone del circuito che sono più critiche.
  • Minimizzare l’induttanza dei percorsi, ad esempio facendo corrente le piste di andata e ritorno parallele, lato Bottom e lato Top
  • Curare con particolare cura le pista ad alta impedenza, perché saranno vittima di rumori a bordo scheda e quindi proteggerle adeguatamente
  • Le regole di sbroglio come minima larghezza piste, minima distanza fra piste, fra pad, fra vias e tutte le regole tecnologiche siano compatibili con le capacità del produttore del circuito stampato. Nel caso di EasyEDA queste si impostano come da Figura 4.

Figura 4: EasyEDA impostazione delle regole di sbroglio

  • Ad esempio la regola 0.15mm come clearance per alcuni fornitori è critica e non realizzabile (vedi Figura 5 come esempio delle capabilities di JLCPCB dove è indicato 0.2mm per la minima distanza tra piste su layer esterno).

Figura 5: JLCPCB capabilities

  • Risolvere i problemi identificati dal DRC relativi ai componenti verificando che tutte le geometrie siano come atteso, sulle nets verificando che siano presenti tutte le net collegate (vedi figura 6)

Figura 6: EasyEDA PCB DRC

  • Risolvere i problemi identificati dal DRC sulle nets. Ad esempio, in figura 7 è mostrata una violazione di “Clearance” indicata con una croce gialla

Figura 7: EasyEDA PCB DRC net violazione di Clearance

  • Prevedere i piani di massa come ultima operazione, una volta che gli errori di DRC sono stati risolti, impostando le clearance da tenere rispetto agli altri segnali
  • Verificare che non ci siano piste o piani di massa a meno di 0,5 mm dal bordo
  • Inserire sempre un layer con il contorno del circuito chiamandolo Outline
  • deve essere presente un layer con le dimensioni del circuito in mm (serve per evitare errori di conversione e per fare il preventivo del pcb)
  • se sono presenti fresature scassi all’ interno del pcb conviene fare un layer chiamato “bit routing” dove vengono disegnate con i componenti grafici del cad
  • Alla fine delle vari verifiche i piani di massa vanno rigenerati utilizzando il tool Copper Area, che permette di disegnare un’area dentro la quale il CAD farà il riempimento di rame o lato TOP o lato BOTTOM.
  • Verificare che tutte le serigrafie siano leggibili ed aggiungere delle scritte per maggiore chiarezza (indicazione pin1, positivo alimentazione). Inserire logo, nome della scheda, versione e data.
  • Indicare a serigrafia con la scritta “TOP” il lato componenti e con la scritta “BOTTOM” il lato saldature leggibile dritta dal lato saldature. Questo evita confusione sull’ attribuzione dei layer e del verso.

 

5. Generazione dei files Gerber e verifiche finali prima dell’invio del PCB

  • Prima di generare i files Gerber verificare che tutto il progetto sia salvato e aggiornato e allineato fra schematico e PCB.
  • Archiviare i files generati insieme alla documentazione di progetto indicando il numero di versione
  • E’ importante visualizzare i files Gerber con un visualizzatore esterno, per verificare che non ci siano difformità geometriche, che non sono visibili all’interno del software utilizzato. Noi consigliamo gerbv, un tool gratuito (vedi Figura 8)

Figura 8: Visualizzazione files Gerber con Gerbv

 

6. Invio del PCB

A titolo di esempio si riporta in Figura 9 la schermata di JLCPCB. A seconda del servizio che si sceglie verificare che:

  • Sia stato selezionato uno spessore di PCB adeguato (1.6mm .. 2.4mm)
  • Il trattamento desiderato sia adeguato HASL o ENIG
  • Il colore selezionato sia compatibile con le caratteristiche offerte dal servizio
  • Selezionare i files Gerber dall’archivio e non da copie locali
  • Specificare se si desidera pannellizzazione

Figura 9: JLCPCB parametri costruzione PCB

 

7. Considerazioni finali

Queste sono delle linee guida, che derivano dall’esperienza e da errori commessi in passato; è un documento che verrà aggiornato, periodicamente e riguarda gli aspetti del tool CAD CAE. Faremo un secondo articolo dove riassumeremo articoli video fatti per orientarsi meglio.

 

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