PCB Design – Software e flusso di progettazione

Guida alle funzioni e alle caratteristiche indispensabili dei software per il PCB Design

pcb design

Il PCB Design è oggi più che mai al centro delle attività industriali dei Paesi più avanzati, e il software è uno degli elementi che fa la differenza dal punto di vista competitivo. Sempre più oggetti d’uso comune hanno al proprio interno una componente elettronica, che li rende più intelligenti e più performanti. Il caso pi eclatante è quello del settore automotive. Ma i progressi in campo biomedicale mostrano come l’elettronica interessi sempre più da vicino lo stesso corpo umano, fino a integrarsi strettamente con esso.

In tale contesto ha un ruolo fondamentale l’EDA (Electronic Design Automation), ovvero la progettazione realizzata con l’aiuto di software specifici.

In questa pagina sono sintetizzati i passaggi principali del flusso del PCB Design, con le relative caratteristiche dei software, necessarie per la sempre più sofisticata e complessa attività di progettazione del circuito stampato.

Il software per il PCB Design

Il software per il PCB Design richiede strumenti per creare lo schematico del circuito e simularlo, poi il PCB Layout, con i relativi tool di analisi e poi la preparazione alla produzione. Le grandi imprese e i team di progettazione internazionali privilegiano strumenti cone Xpedition. Ma per la piccola e media impresa o per i progettisti individuali, lo strumento che proponiamo, e che riteniamo il più completo, è PADS Professional, di Mentor, che attualmente è parte della piattaforma industriale Siemens per la creazione di prodotti, sia dal punto di vista meccanico che elettronico.

Ci sono poi altri tool, che anno dopo anno si competono il mercato dei progettisti elettronici. Ecco quali sono oggi i più popolari:

pads
Produttore:
Mentor (Siemens PLC)
Produttore:
Altium Ltd.
Produttore:
Autodesk, Inc.
Produttore:
Cadence Design Systems, Inc.
KiCadDesignSpark PCB
Produttore:
open source
Produttore:
RS Components
Produttore:
Cadence Design Systems, Inc.
Produttore:
Zuken Inc.

Tra le diverse alternative disponibili, noi consigliamo senz’altro PADS Professional, perché è il più completo, ma ha anche la potenza dei software di livello superiore, utilizzati dalle grandi imprese. La tecnologia che utilizza è infatti la stessa di Xpedition.

Flusso di progettazione del PCB

Ecco quali sono le fasi principali del flusso di progettazione del PCB:

 

1 – Progettazione dello schematico

Cattura e riuso dello schematico (Schematic Design)

Il progetto dello schematico è la prima fase del progetto elettronico, quella che consente di passare dall’idea e dal concept del prodotto al progetto vero e proprio. Essa consiste nel disegnare lo schema elettrico del prodotto, cioè una rappresentazione semplificata del circuito elettronico mediante simboli convenzionali:

schema elettrico

Esempio di semplice schema elettrico

Un buon software per la cattura dello schematico deve mettere a disposizione del progettista tutti gli strumenti di cui ha bisogno in questa fase, in modo intuitivo, rapido e veloce, tutto in un unico ambiente. È necessario che tale ambiente comprenda i tool per la progettazione del circuito, la simulazione, la selezione dei componenti, la gestione delle librerie e la pianificazione dell’integrità di segnale.

Ricerca dei componenti

In questa fase deve essere possibile selezionare i componenti giusti per il progetto e inserirli con tutte le informazioni che li riguardano all'interno del software di progettazione.

Cattura degli obiettivi progettuali (design intent)

In questa fase vengono definite le regole da seguire quando le caratteristiche del progetto subiscono delle variazioni. il progettista deve essere in grado di creare facilmente progetti gerarchizzati.

Selezione dei componenti

Con un sistema integrato di gestione dei componenti, è possibile effettuare una ricerca parametrica nel database dei componenti, per individuare il componente più adatto per il progetto

Definizione di pin-out complessi

Quando nel circuito è presente un componente come l'FPGA, lo strumento di progettazione deve consentire di gestire le interconnessioni in forma tabellare.

 

Le immagini delle schermate di esempio sono ricavate da PADS Professional.

2 – PCB layout

La progettazione del layout, con la sbrogliatura, deve reggere la sfida delle realizzazioni più complesse

Con il progetto del layout si entra nel cuore del flusso di progettazione del PCB, poiché nell’ambito di questa fase si definisce il disegno vero e proprio del circuito stampato, che può essere molto complesso e realizzato in molti strati:

Circuito stampato a singolo strato
Circuito stampato a doppio strato
Circuito stampato multi-strato

Specie nel caso dei circuiti multi-layer, dove la complessità è molto elevata, il tool per il PCB Design deve dare al progettista la possibilità di automatizzare le operazioni, ma consentendogli al temo stesso di mantenere il controllo, in una collaborazione perfetta tra mente umana e software.

Modifica integrata 2D/3D

È importante che nel tool per il PCB layout la visualizzazione 3D sia integrata nell'ambiente di progettazione, dando la possibilità di utilizzare gli stessi strumenti di posizionamento del 2D.

Pianificazione e gestione del posizionamento

Gli obiettivi progettuali devono essere visualizzati e implementati velocemente, per poter posizionare i componenti sulla scheda in modo ottimale.

Routing del PCB automatizzato

Tecnologie come lo Sketch Routing consentono uno sbroglio del PCB automatizzato, ma di utilizzo facile e intuitivo da parte del progettista.

Metodologia di progetto “Correct by Construction”

È possibile migliorare molto l'efficienza del lavoro progettuale individuando le violazioni delle regole di progetto nel corso del lavoro, e non in seguito.

Collaborazione con il CAD meccanico (MCAD)

È necessario comunicare gli obiettivi progettuali tra CAD elettronico e meccanico, attuando una collaborazione efficace tra progettisti dei due diversi ambiti di lavoro, lasciando ognuno nella propria 'comfort zone'.

 

Le immagini delle schermate di esempio sono ricavate da PADS Professional.

3 – PCB Analysis

L'analisi del PCB consente la realizzazione di un prototipo virtuale che accorcia i tempi e riduce i costi

L’analisi del PCB è necessaria per verifica e la simulazione delle condizioni d’uso del circuito e consente la realizzazione di un suo prototipo virtuale. L’analisi non si colloca necessariamente in una fase specifica del flusso di progettazione del PCB, ma deve poter essere effettuata in qualsiasi fase. Analizzare, correggere e verificare i requisiti più critici del progetto consente di evitare i costosi re-spin del prototipo. Dunque la PCB Analysis è un ingrediente essenziale per spingere al massimo l’innovazione, riducendo i costi e i tempi di ingresso sul mercato.

Tra le analisi più importanti che è necessario effettuare c’è quella dell’integrità di segnale (Signal Integrity) La Signal Integrity (SI) è un insieme di misurazioni della qualità del segnale elettrico.

Nell’immagine che segue si vede come il flusso di valori binari di un apparato elettronico digitale possa essere rappresentato come forma d’onda della tensione (volt). Col crescere della distanza e della frequenza di bit, il segnale tende a degradarsi, subendo effetti come il rumore, la distorsione e la perdita. Tali fenomeni possono portare al malfunzionamento del dispositivo.

La simulazione della forma d’onda del segnale di una DDR3

La simulazione della forma d’onda del segnale di una DDR3

Scopo dell’analisi dell’integrità di segnale è quello di analizzare e mitigare tali effetti. Tale attività interessa tutte le fasi di realizzazione del prodotto elettronico, dalle connessioni interne di un circuito integrato (IC) al package, dal PCB al backplane, fino alle connessioni tra sistemi.

Simulazione analogica

La visualizzazione della forma d’onda di un tool per la PCB Analysis deve consentire di effettuare misurazioni tra i punti di transizione, tramite tool come i cursori multipli, la ricerca interattiva di eventi, la creazioni di grafici e diagrammi, l’editing delle forme d’onda.

Signal Integrity

L’analisi dell’integrità di segnale deve essere effettuata in modo integrato con il PCB Design, dalla progettazione dello schematico alla verifica finale del layout. Risultati accurati in questo ambito consentono ai progettisti di gestire in modo efficiente l’esplorazione, la definizione e la validazione delle regole, assicurando la coerenza con gli obiettivi di progetto.

Analisi termica

L’analisi termica consente di simulare l’impatto sia del posizionamento dei componenti, sia del routing, cioè il disegno delle piste. Un’analisi termica efficace individua, anche in 3D, gli “hot spot” che possono potenzialmente portare problemi, consentendo di effettuare l’analisi “what-if”, cioè il confronto tra diverse alternative progettuali, sia nel posizionamento, sia nell’adozione di elementi di raffreddamento.

Power Integrity

L’analisi delle alimentazioni, o Power Integrity, consente di simulare il comportamento delle Power Distribution Network (PDN) lungo tutto il flusso progettuale, analizzare le cadute di tensione e identificare le aree di densità eccessiva della corrente nel layout. Anche in questo caso l’analisi “what-if” consente di confrontare possibili alternative, dal punto di vista della power integrity.

DRC elettrico

Il Design Rule Checking (DRC), o controllo delle regole di progetto, consente di verificare se nel layout sono state rispettate le regole che consentono di evitare problemi di interferenze elettromagnetiche (EMI), compatibilità elettromagnetica (EMC), signal integrity e power integrity. L’analisi DRC può essere effettuata sia per una ricognizione rapida delle net su cui effettuare un’analisi più accurata, sia per individuare direttamente alcuni tipi di problematiche, come anomalie negli incroci tra piste, cambi di piani di riferimento, lo shielding e il controllo delle vias.

 

Le immagini delle schermate di esempio sono ricavate da PADS Professional.

4 – Preparazione alla produzione

Una fase essenziale per arrivare senza problemi alla fabbricazione e all'assemblaggio

La “manufacturability” di un PCB Design è un concetto molto importante. Con tale termine s’intende la capacità del progetto di circuito stampato di essere prodotto senza problemi. Per garantire una buona manufacturability, il software per il PCB Design deve essere dotato di strumenti specifici per la preparazione alla produzione.

Il progettista deve essere in grado di creare la documentazione per la produzione nel modo più integrato possibile con il flusso di progettazione. Gli output devono essere pronti per andare in produzione, sia a livello di singolo PCB che di pannello. La “pannellizzazione” è quel procedimento che consiste nel accorpare diversi circuiti stampati in un unico pannello delle dimensioni appropriate per essere lavorato dalle macchine pick and place nella linea d’assemblaggio.

Ogni cambiamento nel layout del PCB deve automaticamente riflettersi nella documentazione per la produzione e ciò può essere ottenuto solo se gli strumenti delle due fasi sono strettamente integrati tra loro, nel software per il PCB Design.

Il software per il PCB Design deve essere possibilmente integrato anche con i tool per gestore il Design for Manufacturing, cioè l’analisi che consente di identificare in modo più specifico se in ogni dettaglio del progetto vengono rispettati i requisiti di fabbricabilità del circuito stampato. PADS Professional, da questo punto di vista, è integrato con Valor NPI.

bilanciamento del rame nel PCB layout

È essenziale creare un progetto bilanciato, dal punto di vista del rame, sia a livello di layout del PCB che di pannello.

Le immagini delle schermate di esempio sono ricavate da PADS Professional.

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Paolo SubioliPCB Design – Software e flusso di progettazione