Dai circuiti prototipo su breadboard alla progettazione dei nostri circuito stampato (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. PCB design is carried out in an electrical engineering (EE) process. EE crea il “cervello” di come funzionano i dispositivi. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Cose da sapere prima di iniziare la progettazione del PCB: 1. Dimensioni del PCB: dipende dalle dimensioni del prodotto (o dalle dimensioni del case). Le dimensioni del prodotto vengono definite durante il processo di progettazione dell’ingegneria elettronica. You can watch a video about it here. 2. Strati PCB – Più strati, più complessa è la FABBRICAZIONE del PCB. (Nota: anche un PCB a strato singolo può essere un PCB complesso, ma qui stiamo parlando della complessità di realizzare un PCB. Più strati ha un PCB, più costoso è produrlo.)

Il livello 2 viene solitamente utilizzato per semplici prodotti giocattolo

I prodotti correlati a Iot di solito hanno 4 strati

Typically used for floors 6 to 8 of a smartphone or smartwatch.

3. I requisiti del produttore del PCB. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Informazioni da fornire ai produttori di PCB:

Numero di strati (es. 2, 4, 6, ecc.)

Materiali (FR-2 (carta di cotone fenolico), FR-3 (carta di cotone e resina epossidica), FR-4 (fibra di vetro e resina epossidica… ecc)

Spessore (0.5 mm, 1.0 mm… ecc)

Colore (rosso, nero, verde… ecc)

Trattamento superficiale (ENIG (immersione chimica nichel/oro), DIG (immersione diretta in oro), OSP (conservanti organici saldabili, ecc.)

Peso del rame (1 oz (35 micron), 2 oz (70 micron), 0.5 oz (18 micron)… ecc)

File Gerber

Processo di progettazione PCB:

Disegno del circuito

For this step, you need to create the schematic. Questo è un documento, come un progetto, che descrive come i componenti si relazionano tra loro e lavorano insieme. Per creare il file schematico, avrai bisogno di uno strumento software. Ci piace Quadcept perché è ottimizzato per la progettazione di PCB per la produzione (ad esempio, puoi esportare una distinta base (BoM) direttamente dallo strumento) ed è basato su cloud, quindi può essere facilmente utilizzato ovunque. (Offrono anche una versione community gratuita dello strumento per produttori e studenti.)

Ci sono molte altre opzioni tra cui puoi scegliere:

Altium

ExpressPCB

Dispositivo di frequenza

KiCad

Cadence allegro

tappetino

Progettazione assistita da computer

DipTrace

After you install the selected tools, you need to obtain the component specifications for each selected component. They can often be found on the supplier’s website. Il file del modello ti aiuterà a disegnare lo schema. Questo componente diventa disponibile nel database quando si carica il modello nello strumento software. Quindi, tutto ciò che devi fare è seguire il manuale dei dati e collegare il filo a ciascun pin del componente. (Nota: i dettagli del processo di progettazione dipenderanno dallo strumento software scelto).

Each schematic symbol needs to have an associated PCB space area to define the physical dimensions of the component and the location of the through holes on the brazing pad or PCB. You should have selected the components (or are now selecting them), and we describe this process in the EE Design Process video (see video).

Diagramma di esempio

Un buon schema è davvero importante, poiché verrà utilizzato come documento di riferimento durante il debug ed è un buon strumento di comunicazione con altri ingegneri. Inoltre, il produttore può testare il dispositivo attraverso i punti di prova su questo documento.

Layout PCB + file Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. A differenza di uno schema, un layout PCB assegna i componenti effettivi a posizioni esatte sul PCB e mostra le tracce che collegano ciascun componente tra gli strati del PCB. Come accennato all’inizio di questo articolo, più strati, più complessa è la produzione richiesta e maggiore è il costo.

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). Then, be sure to group the components of each section into the same area. In questo modo è possibile mantenere breve la traccia conduttiva e ridurre il rumore e le interferenze.

Anche l’interfaccia utente (UI) deve essere tenuta presente quando si progetta un PCB. Componenti come jack audio, connettori, led, ecc. devono essere regolati per ottenere la migliore esperienza utente.

Una volta progettato il layout, viene generato un file Gerber. Il tuo produttore PCBA utilizzerà questo file. There are many companies that offer these services, and from HWTrek’s expert library we recommend Kingbrother, NexPCB, and HQPCB.

Sample Gerber files

Il posizionamento dei componenti sul PCB è molto importante. Alcuni componenti possono interferire tra loro e causare comportamenti imprevisti. Ad esempio, se si dispone di entrambi i moduli Bluetooth e Wi-Fi, hanno la stessa larghezza di banda di 2.4 ghz e possono interferire l’uno con l’altro se posizionati in modo errato.

Produzione di PCB

Quando invii il file Gerber al produttore del PCB, questi possono stampare la scheda. Questa sarà la base per costruire ulteriormente le basi per l’aggiunta di componenti al PCB e la produzione del PCBA (gruppo di circuiti stampati).

PCB non assemblati

PCBA (Assembly)

Preparazione del materiale

A questo punto del tuo progetto EE, dovresti aver selezionato i componenti. You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. Questioni che richiedono attenzione:

Lead time: As these components come from different suppliers, keep the lead time in mind. For some components, it can take up to 8-16 weeks.

Packaging: Order components from reels that are automatically picked up by SMT machines instead of packaging them individually.

Quantità minima dell’ordine: controllare la quantità minima dell’ordine del componente. Se acquisti meno del minimo, assicurati che i componenti selezionati siano disponibili. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Per maggiori quantità, chiedere consiglio al produttore.

Perdita: Ordina il 10% in più per coprire la perdita (non per componenti costosi)

Installare i componenti sul PCB

Esistono due modi principali per posizionare i componenti su una superficie PCB:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. È anche comunemente noto come DIP o processo di confezionamento doppio in linea. (Vedi SMT in corso in questo video)

SMT (tecnologia a montaggio superficiale) è il metodo più utilizzato nella produzione di massa. È fatto da macchine SMT veloci e precise che ti fanno risparmiare tempo, denaro ed evitano errori umani.

Cose da ricordare:

Il numero del tipo di componente non deve superare il numero di bobine che la macchina SMT del produttore può supportare.

Ottimizza e consolida i tuoi componenti in modo che venga eseguito un solo SMT.

Controllare le dimensioni del cuscinetto per impronte supportate dal produttore. In caso contrario, la macchina SMT non installerà i componenti correttamente.

Alcuni componenti più grandi non possono essere installati dalla macchina e richiedono comunque un lavoro manuale di fori passanti. Pertanto, entrambe le tecnologie possono essere utilizzate sulla stessa scheda.

Tutti i componenti che devi aggiungere manualmente tramite il metodo del foro passante si aggiungono al costo di produzione.

Saldatura a riflusso

La saldatura a rifusione è il processo per far “attaccare” i componenti al PCB. Il PCBA riscalda il circuito attraverso un forno a rifusione o una lampada a infrarossi fino a quando la saldatura non si scioglie, collegando così in modo permanente il componente al circuito.

La parte più difficile qui è non surriscaldare o danneggiare i componenti, perché le caratteristiche termiche di ogni confezione sono diverse. Un produttore affidabile di PCBA sarà responsabile di questo processo e tutto ciò che devi fare è fornire loro le specifiche dei componenti.

Processo di reflusso.

Altri metodi di saldatura:

La saldatura a onda viene utilizzata principalmente per i componenti aggiunti manualmente con il metodo del foro passante. In questo caso, il tuo PCBA passerà prima attraverso il forno di saldatura a riflusso, quindi aggiungerà manualmente altri componenti dopo che sarà passato attraverso la saldatrice ad onda.

La saldatura del ferro può essere utilizzata per situazioni specifiche, ma non per la produzione di massa.

Test e controllo qualità

In questa fase, i campioni PCBA vengono testati per garantire la qualità. Errori comuni sono: cortocircuiti in componenti scollegati, componenti disallineati e parti del circuito che non devono essere collegate. I test più comuni:

ICT (test online). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. La macchina ICT utilizzerà questi punti di prova per test di circuito aperto/cortocircuito e verificherà che i valori dei componenti passivi (resistenze, induttanze, condensatori) rientrino nell’intervallo delle specifiche.

AOI (ispezione ottica automatica). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Per questo test, il creatore dell’hardware dovrà fornire specifiche e tolleranze al produttore per impostare i parametri.

Raggi X. Il produttore del PCBA utilizzerà i raggi X per verificare le condizioni di saldatura dei componenti BGA (ball Grid Array). Guarda il test a raggi X in questo video.