Progettazione PCB - Università di Bologna

Introduzione alla
progettazione di PCB
Elettronica dei Sistemi Digitali L-A
Università di Bologna, Cesena
Gianni Medoro, Aldo Romani
A.a. 2004-2005
Progetto di Sistemi Elettronici
Le principali funzioni dei PCB
1. Garantire le interconnessioni elettriche tra vari
componenti elettronici
2. Fornire un supporto meccanico per i componenti della
scheda
3. Permettere la dissipazione del calore generato dal
circuito
5 – 19 Giugno 2003
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Progetto di Sistemi Elettronici
Come sono realizzati
I PCB vengono realizzati assemblando sottili strati di dielettrico isolante con strati di
materiale elettricamente conduttivo:
1.
Uno o piu’ substrati rigidi o flessibili (“core” e “prepreg”) fungono da isolante
2.
Piste in rame su piu’ livelli (“layers” e “planes”) realizzano le connessioni elettriche
3.
Fori conduttori (“vias”) collegano piste di layers diversi.
4.
Una vernice superficiale e’ usata per proteggere le piste dalla ossidazione e per
facilitare la saldatura (“solder”)
5.
Serigrafia (“Silkscreen”) per segnare la posizione dei componeenti sulla scheda
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Flusso di Progetto
Functional
description and
specifications
consumptions
costs
Laws &
regulations
mechanics
EM pollution
Check
components
availability
PCB
fabrication
schematic
PCB
design
layout
PCB
assembly
gerber
Layers number
Pcb dimension
Pcb shape
Substrate
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Device
Package
preliminary
PCB testing
operational
PCB packaging
performance
Device
arrangement
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Scelta del substrato
Per la scelta del materiale dielettrico del substrato si considera:
•
“Coefficient of Termal Expansion” (CTE)
•
“Glass transition Temperature” (Tg)
•
Conducibilita’ termica
•
Rigidita’ meccanica
FR4 e’ il substrato piu’ comunemente usato per realizzzare circuiti stampati.
Fibre di vetro e rame sono uniti da una resina epossidica.
Altri substrati comunemente usati sono:
•
Polymide/fiberglass Æ sostiene temperature piu’ alte ed e’ piu’ rigido
•
FR2 Æ economico, per elettronica di consumo
•
KAPTONÆ flessibile, leggero, per applicazioni specifiche
(display, tastiere)
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Progetto di Sistemi Elettronici
Scelta del numero di layers
Per la scelta del numero di layers di un PCB si considera che:
•
Aumentando il numero di layers si riduce la densita’ delle piste e
eventualmente la dimensioni del PCB
•
Aumentando il numero di layers aumenta il costo del PCB.
Per schede complesse con molti componenti SMD si usano generalmente:
•
2 layers per il posizionamento dei componenti (TOP e BOTTOM)
•
2 layers (interni) per le interconnessioni.
•
1 layer per la distribuzione delle masse (ground plane)
•
1 layer per la distribuzione delle alimentazioni (Power plane)
Per lo sviluppo di prototipi generalmente si preferisce utilizzare
2 strati (interconnessione e posizionamento) + ulteriori 2
strati per la distribusione della massa e delle alimentazioni.
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Scelta del tipo di package
Componenti THROUGH-HOLE o SMT?
Thrue-hole
SMT
compatto
no
si
Montaggio manuale
si
Alcuni tipi
Montaggio automatico
no
si
Facilmente sostituibili (zoccolo)
si
no
In alternativa alcuni componenti vengono montati direttamente sul PCB:
COB (chip on board) o COF (chip on flexible)
Per lo sviluppo di prototipi generalmente
si preferisce utilizzare componenti
Through-Hole perche’ possono essere
montati manualmente in laboratorio e
eventualmente rimossi e/o sostituiti
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Progetto di Sistemi Elettronici
Tipi di package: Panoramica
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Progetto di Sistemi Elettronici
Tipi di package: Esempi
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Assemblaggio
Su quali lati montiamo i componenti?
Scheda:
top
bottom
Compatta
Si
Si
Facilmente testabile (prototipi)
Si
No
Economica
Si
No
Basso profilo
Si
No
Per lo sviluppo di prototipi generalmente si preferisce
montare tutti i componenti “attivi” sul TOP layer per
agevolare l’operazione di collaudo.
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Progetto di Sistemi Elettronici
Disposizione dei componenti
Considerazioni:
•
•
•
•
•
Ridurre la lunghezza dei percorsi critici
Componenti analogici separati fisicamente da quelli digitali
Componenti di potenza separati fisicamente da quelli di precisione
(attenzione ai percorsi di corrente nei piani di massa!)
Orientamento dei componenti concorde con quello delle piste
Distribuzione e dimensionamento di condensatori e filtri per la
riduzione dei disturbi (bassa e alta frequenza) esterni o di
accoppiamento.
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Progetto di Sistemi Elettronici
Capacita’ tecnologiche
• Produzione standard*:
Foro minimo :
Larghezza minima conduttori :
Isolamento minimo fra conduttori:
Numero di layer:
Spessore circuiti :
Spessore rame :
Dimensioni max circuiti :
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0.2 mm
0.12 mm
0.12 mm
20
0.2 ÷ 5 mm
17, 35, 70, 105, 150 µ
810 x 500 mm
(*Tecnomec Srl)
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Progetto di Sistemi Elettronici
Esempio di Progetto realizzato nei laboratori ARCES
Strumento per il controllo di
BIO-SENSORI
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Progetto di Sistemi Elettronici
Biomother v1.0 – Main Features
•
Digital section
FPGA (20MHz)
–
–
–
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
5 – 19 Giugno 2003
Parallel port interface
XiRISC microprocessor
Waveform generation for chip
3MByte RAM
Analog section
Direct Digital Synthesis (DDS)
Bias Generation
A/D Conversion for sensing readout
Other features
Re-programmed at each power-up
Thermal cooling/heating control
Expandable
Technology features
2 layers + 2 planes (power and gnd)
Power supply: +/-12, +5 (externally)
-5, +2.5, +3.3 (internally)
SMD and Through-hole devices
Active devices on TOP and passive devices on
BOTTOM
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Progetto di Sistemi Elettronici
Biomother - PCB
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Progetto di Sistemi Elettronici
PCB per la manipolazione di cellule
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