Progettare Pcb per applicazioni embedded

PROGETTAZIONE –

Il design di un pcb è un’operazione molto importante per realizzare prototipi elettronici efficienti sia da un punto di vista operativo che commerciale. In particolare, nelle applicazioni embedded la progettazione del pcb riveste un ruolo fondamentale.

I circuiti embedded si trovano in svariate tipologie e dimensioni, in relazione al tipo di microprocessore, al tipo di componente, al sistema operativo, ma soprattutto alla complessità del software che può variare da poche centinaia di byte a parecchi megabyte di codice. Il design del pcb è limitato oltre che dalla sua applicazione anche dal suo “comfort”. I telefoni cellulari rappresentano un perfetto esempio. Essi devono inserirsi nella mano, avere la possibilità di essere avvicinati agevolmente all'orecchio per udire la voce dell'interlocutore e devono essere dotati di una tastiera di dimensioni opportune comparate con quelle delle dita. Questi rappresentano i requisiti minimi standard che sono stati modificati in seguito all'avvento del primo cellulare Gsm. Eppure, i consumatori vedono maggiore capacità nei nuovi cellulari con gli stessi requisiti di dimensione. Vi è un aumento di componenti elettronici attivi e passivi e un numero altrettanto grande di segnali che li collegano, senza tuttavia che vi sia un conseguente aumento di spazio fisico designato per i circuiti elettronici; quindi i pcb diventano più densi con componenti aggiuntivi, tracce e vias.
Com'è dunque possibile disporre più componenti su pcb che sono già saturi? Un modo c'è: benvenuti nel mondo pcb embedded!

Componenti embedded
Il numero di componenti discreti passivi rappresenta in molti casi il 70-80% del numero totale dei componenti e continua a crescere sempre di più. Mentre i componenti attivi possono essere realizzati in chip, lo spazio ideale di collocazione per elementi passivi discreti diventa sempre più difficile da ottenere. Il posizionamento dei componenti, inoltre, dovrà tener conto di alcune considerazioni:
• riduzione della lunghezza dei percorsi critici;
• componenti analogici separati fisicamente da quelli digitali;
• componenti di potenza separati fisicamente da quelli di precisione;
• 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.
Un componente pcb embedded è un pcb integrato con componenti attivi e passivi in un substrato di resina.
Questo schema permette, come accennato in precedenza, di ampliare la struttura componentistica del pcb, riducendone le dimensioni fisiche. Per facilitare il funzionamento di questi pcb dovrà essere fornita un'alimentazione di alta qualità, in modo da assorbire le fluttuazioni di carico ed eliminare la rumorosità durante il funzionamento. Per questo motivo è essenziale ridurre la componente di induttanza ponendo i componenti passivi, come un condensatore, vicino a un IC in modo da ridurre la lunghezza di collegamento ed evitare livelli di rumore inaccettabili che causano errori di temporizzazione. Eliminare elementi passivi discreti dagli strati superficiali e incorporarli nel substrato permette di liberare lo spazio di superficie e consentire ai componenti passivi di essere più vicini ai pin attivi. L'utilizzo di componenti embedded passivi consente anche l'utilizzo del circuito a elevate frequenze. La linearità dei segnali attraverso questi componenti, inoltre, riduce l'induttanza alla superficie migliorando il rendimento elettrico del circuito stampato. L'affidabilità del pcb è migliorata attraverso la riduzione del numero complessivo dei giunti di saldatura.

Resistori
Un resistore embedded risiede su un singolo livello, che può essere qualsiasi strato fisico. Ha due piazzole di rame con materiale resistivo tra gli elettrodi. La forma del materiale di resistenza può essere un semplice rettangolo. In tutti i casi, il materiale di resistenza sovrappone le piazzole di rame.

Condensatori
In generale, i condensatori rappresentano la più alta percentuale di componenti presenti su un pcb. Oggi vi sono due tecniche per la fabbricazione di condensatori embedded: attraverso l'uso di dielettrici e un processo film additivo. Quest'ultimo è un processo di screening realizzato direttamente su di uno strato e viene utilizzato in MCM e ibridi.

Induttori
Induttori embedded si realizzano mediante linee sottili di forma a spirale. Una combinazione di larghezza di riga, numero di giri, forma e lunghezza definiscono l'induttanza.

Linee guida di progettazione
Uno dei punti più importanti da capire è che la propensione per l'utilizzo di componenti integrati passivi embedded riguarda un processo di fabbricazione e non un processo di assemblaggio. A livello di progetto tale propensione richiede una grande flessibilità di progettazione, anche se permette ai designer di pcb di affrontare nel miglior dei modi le sfide crescenti della densità di componenti. Naturalmente, tale flessibilità può essere realizzata solo se i tool supportano pienamente i componenti embedded. Dal punto di vista del flusso di progettazione, la sintesi del componente deve avvenire nelle fasi di posizionamento e di interconnessione della progettazione del pcb. Questo fornisce il controllo ottimale di progettazione sulla dimensione del componente e il posizionamento XY sullo strato durante la definizione di aspetti critici del design. Una sintesi appropriata del componente offre ai progettisti diverse opzioni fisiche. Così, due istanze di resistenze da 10 KW, per esempio, possono essere rappresentate in modo completamente diverso per soddisfare al meglio la densità di progettazione. Strumenti interattivi e automatici consentono ai progettisti di sintesi delle forme e dei valori singolarmente o in gruppi selezionati al fine di ottimizzare la densità di progettazione, i valori e le regole di fabbricazione. Componenti embedded discreti attivi hanno esigenze diverse. Possono essere collocati in una cavità esposta o incorporati all'interno degli strati del substrato. Rispetto a quelli passivi, hanno uno spessore molto maggiore (asse Z, altezza) sia per la componente fisica che per il montaggio. La fase finale di progettazione pcb, inoltre, è la post-elaborazione - la generazione di uscite. Questa attività viene in genere eseguita direttamente dal progettista pcb. Lo strumento di progettazione deve fornire valori booleani AND, OR e XOR e comprende materiali per determinare ciò che è incluso sulle uscite del plotter. Questi sono utilizzati per creare le maschere appropriate di materiali e processi di lavorazione. Uscite supplementari devono supportare trimmer laser, posizioni XY e strato, pad, wirebonds e Router NC. Tutte queste funzionalità di output sono necessarie per ogni substrato.

Conclusioni
I componenti embedded offrono l'opportunità di una maggiore funzionalità, prestazioni e densità di pcb, a costi più bassi. Tuttavia, questi benefici possono essere realizzati solo con l'impiego di strumenti di progettazione, che comprendono e abbracciano le esigenze specifiche dei componenti. I tool di progettazione devono consentire al progettista pcb di impiegare la flessibilità del componente in qualsiasi punto nel disegno, in modo che possa essere realizzato il miglior pcb in termine di densità.

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