Cinque consigli per migliorare la DFM del tuo PCB

Per la buona riuscita di un progetto PCB, oltre alla fase di design, è altrettanto importante la fase di produzione. Infatti, sono molti i dettagli necessari per costruire e assemblare un PCB che rispetti le performance di progettazione. In questo articolo sono descritti cinque “best practices” per migliorare la DFM del vostro progetto PCB.

Includere i limiti del fornitore PCB nel Design Rule Check (DRC)  

Dipendentemente dal fornitore del PCB i limiti tecnologici per la fabbricazione della scheda con una buona resa saranno diversi in termine di spessore minimo di traccia (minimum routing width), distanza minima tra le tracce (minimum clearance) e altre specifiche che vedremo in seguito in maggior dettaglio. Inoltre, anche una volta scelto uno specifico fornitore, in genere vengono offerte diverse fasce di prezzo a secondo dei limiti tecnologici scelti; come lo spessore del rame, la richiesta tecnologie particolari come blind o buried via, oppure la necessità di riempirei le vie con materiale conduttivo (via fill).

Una volta individuato il fornitore ed i limiti tecnologici specifici per il nostro PCB è considerata un’ottima prassi quella di inserire i limiti stessi nelle regole di progetto (DRC). Così facendo, una volta disegnato il PCB, possiamo essere sicuri che potrà essere costruito senza problemi.

Con Altium è possibile impostare regole multiple per ogni parametro, una per ogni specifico fornitore ad esempio; basterà quindi abilitare quella relativa al fornitore selezionato prima eseguire il DRC.

A close up of electronics

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Le prime regole da impostare sono ovviamente quelle sul minimo spessore di traccia utilizzabile e la distanza minima tra di esse. Molto spesso queste sono fornite direttamente dal PCB supplier; tuttavia si deve prestare attenzione al fatto che queste regole dipendono a loro volta dallo spessore del rame stesso (copper weight). Infatti, uno spessore maggiore del rame implica delle restrizioni sullo spessore minimo di traccia e distanza maggiori. Questo vincolo è dovuto al processo di etching stesso, il quale necessita di un tempo di esposizione più lungo su uno spessore di rame maggiore, intaccando il rame in maniera maggiore anche nella direzione orizzontale.

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Ad esempio, come regola generale, per uno spessore di rame di 1 oncia (1oz), la distanza reale tra due tracce sarà circa 2 mils minore di quella presente originariamente sul Gerber file.  Per esempio, se avevamo disegnato una traccia minima di 6 mils, sul PCB otterremo 4 mils effettivi. E così via per ogni oncia di spessore in più la distanza effettiva tra le tracce diminuirà di un mils per oncia circa. Questa è una regola generale; si consiglia comunque di consultare il proprio PCB provider per ottenere i parametri precisi del processo di produzione PCB usato.

Oltre alle tracce si deve tenere particolare attenzione anche alle vie, in particolare si deve rispettare le limitazioni del produttore del PCB in termini di minima sezione del foro di via e di minimo spessore della corona di rame intorno al foro (anular ring). 

Un altro layer critico per garantire il corretto assemblaggio del PCB è il solder mask layer; la cui principale funzione è quella di ricoprire le zone di rame su cui non deve essere effettuata nessuna saldatura, sia utilizzando solder paste che saldatura a mano. Di solito questo layer può essere configurato per essere semplicemente il negativo dei pads sui layer esterni. Tuttavia, quando dei dispositivi con fine pitch vengono utilizzati (minore di 0.4mm), potrebbe essere necessario allargare leggermente l’apertura di solder mask intorno al pad stesso (regola di solder mask expansion); così da tener conto di errori di tolleranza sul mask layer e garantire una buona esposizione del rame in caso di pad molto piccoli. Questa operazione fa sì che il layer di solder mask tra i pad stessi sia sempre più sottile fino ad arrivare ad un punto in cui il PCB provider on sarà in grado di deporlo. Il risultato sarà una totale assenza del solder mask tra i pad del dispositivo che può comportare la presenza di short durante il processo di assemblaggio e saldatura.

Per ovviare a questo problema si può configurare in Altium un valore minimo supportato dal PCB provider per il solder mask Sliver, in genere 0.1mm dovrebbe essere sufficiente.

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L’importanza del silkscreen layer

Spesso non viene data sufficiente importanza al silkscreen layer, considerandolo solo un layer indicativo ma non necessario per una corretta produzione del PCB. Tuttavia, il silkscreen layer può risultare di fondamentale importanza, soprattutto durante la fase di assemblaggio. Difatti anche se nella maggior parte dei casi il processo di pick and place viene eseguito in automatico da macchine dedicate, ci sarà sempre un check eseguito da un operatore sul alcune schede campione. O quanto meno per il primo batch di produzione, in maniera da verificare il corretto funzionamento della linea di assemblaggio. Vediamo adesso come generare un silkscreen layer in grado di facilitare questa operazione e ridurre la probabilità di errore.

Come regola generale il testo sul silkscreen layer dovrebbe avere caratteri di dimensione 1 mm minimo e disegnati con uno spessore di linea di 0.2mm. Buona norma è di posizionare il silkscreen designator indicante il riferimento di un componente vicino al componente stesso, ma non al di sotto, altrimenti verrà coperto dopo il placement.

Uno degli errori più comuni durante la fase di assemblaggio è quella di sbagliare orientamento di un componente. Questo tipo di errore può essere eliminato se sul silkscreen layer è presente un’indicazione sul pin numero 1 del componente o del catodo nel caso di led o diodo. Anche in questo caso fare attenzione a non disegnare il riferimento del pin 1 sotto il componente, altrimenti non sarà visibile dopo la fase di placement. In caso di circuito integrato, può essere di aiuto al fine di evitare errori di orientamento disegnare il pad 1 del componente con forma diversa dagli altri, per esempio ovale.

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Infine, si deve controllare sempre di non avere elementi del silkscreen layer sui pads, sui fori o le vie. Altrimenti non verranno stampati sul PCB. Qualora fosse necessario avere elementi del silkscreen layer sule vie (per esempio in presenza di zone estese di via stiching) si consiglia di configurare il tool di disegno in maniera tale da estendere solder mask layer anche sulle vie (Tented vias).  In Altium si può abilitare l’opzione via Tented nelle configurazioni di default dei via:

Definire proprietà del PCB e altri dettagli di progetto nel Fabrication Sheet

Al fine di tenere traccia delle caratteristiche del PCB e del processo di fabbricazione e assemblaggio si consiglia di includere alcuni dettagli nel fabrication sheet che verrà consegnato al costruttore. Qui di seguito sono elencate le principali caratteristiche da inserire come note nel suddetto fabrication sheet:

  • Tipo di dielettrico (ISOLA, ROGERS, etc…)

  • Numero di layers

  • Spessore totale del PCB

  • Spessore del rame su layer esterni

  • Spessore rame su layer interni

  • TG rating

  • Colore del silkscreen

  • Colore del soldermask

  • Presenza o meno di via-in-pad

  • Presenza o meno di buried o blind via

  • Richiedere il riempimento di alcune vie e specificarne il materiale (resina conduttiva, rame, etc..) 

  • Presenza o meno di tracce ad impedenza controllata

  • Processo di finitura dei layer esterni (HASL, Immersion gold, etc..)

  • Se effettuare o meno test elettrico

  • In caso di tracce ad impedenza controllata richiedere report del test time domain reflectometer

  • Se aggiungere o meno il logo del produttore di PCB sul silkscreen

  • Richiedere di essere contattati nel caso assemblatore voglia effettuare la sostituzione di un componente nella BOM

​Fornire un stack up dettagliato

Anche se alcuni dettagli sulla composizione del PCB sono già presenti nelle note del fabrication sheet è importante dettagliare la composizione dello stack up al fine di ottenere le performance aspettate sul PCB sviluppato. Spesso infatti considerazioni come dissipazione termica, integrità del segnale e caratteristiche meccaniche del PCB sono legate al rispetto dello stack up ipotizzato in fase di progettazione. Per ogni copper layer si dovrà quindi indicare lo spessore in termini di once (oz) e di particolare per i layer esterni si dovrà specificare lo spessore considerando anche il processo di finitura. Infine, per ogni layer di materiale dielettrico si dovrà indicare lo spessore, il materiale, il tipo (core o prepreg) ed il valore della costante dielettrica.

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Description automatically generatedCosa includere nella Bill of Materials (BOM)

 

Cosa includere nella Bill of Materials (BOM)

Al fine di evitare ambiguità durante il processo di procurament dei componenti e di assemblaggio della scheda, fornire una BOM dettagliata è sicuramente un’ottima scelta. Una BOM chiara e senza margine di incomprensione, oltre a ridurre rischi di errore, aiuta anche ad accelerare i tempi di produzione evitando continue richieste di chiarimento da parte dell’assemblatore del PCB. Al fine di ottenere una BOM dettagliata, oltre ai dettagli ovvi del componente, come riferimento su schematico e silkscreen, è necessario aggiungere anche ulteriori informazioni come:   

  • Descrizione: descrizione dettagliato del componente, caratteristiche che lo identificano rispetto ad altri componenti simili, per esempio: diodo Schottky 30V 1A surface mounted SOD-123.

  • Datasheet Link

  • Produttore

  • Part Number del produttore

  • Distributore

  • Part Number del distributore

  • Link web del componente sul sito del distributore

  • Distributore alternativo

  • Opzione di assemblaggio: se il componente va installato o meno.

  • Rating: in tensione, corrente e/o temperatura.

  • Tolleranza

  • Footprint: possibilmente seguendo lo standard IPC-7351B  

  • Sostituibilità: indicare se il componente è sostituibile con uno simile o meno.

In generale maggiori dettagli saranno contenuti nella BOM minori saranno le possibilità di ambiguità. I vari campi possono essere completati al momento della creazione del componente, assicurandosi di includerli tutti così da generare una BOM omogenea. 

 

Informazioni sull'autore

Andrea Longobardi


Andrea Longobardi è un Ingegnere Elettronico con più di dieci anni di esperienza professionale nella progettazione di sistemi embedded, dalla fase iniziale di concetto alla messa in produzione.

Andrea ha lavorato per diverse aziende internazionali come ST Microelectronics, ARM, Amazon Prime Air e Maxim Integrated.

Andrea possiede un’ampia esperienza su svariate applicazioni, come prodotti IoT, sistemi low power, piattaforme automotive, sistemi di controllo motori e droni.

Al momento Andrea è un consulente indipendente specializzato nella progettazione di sistemi embedded.

La sua passione è quella di aiutare i suoi clienti con lo sviluppo PCB e firmware di sistemi embedded e IoT.

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