Dallo schema al PCB assemblato: realizzare un prototipo elettronico

1. Schema e scelta dei componenti: disponibilità, package, ciclo di vita.
2. Routing: disposizione e tracciato secondo le regole del produttore.
3. Revisione DFM: controllo delle regole di produzione e di assemblaggio.
4. File di produzione: Gerber, foratura, profilo, distinta base, posizioni dei componenti.
5. Produzione del circuito nudo (PCB).
6. Approvvigionamento dei componenti.
7. Assemblaggio: pasta saldante, posizionamento, rifusione, componenti a foro passante.
8. Ispezione, collaudo, poi programmazione del firmware.

A titolo indicativo, un circuito nudo di prototipo si produce in pochi giorni lavorativi, mentre sono spesso i componenti, la loro disponibilità e i tempi di approvvigionamento a fissare il termine complessivo: avvii presto gli acquisti critici. Può affidare tutta la filiera, o parte di essa, a un fornitore: vedere la subfornitura in elettronica.

Il prezzo di un prototipo si compone del circuito nudo (superficie, numero di strati, finitura, termine), dei componenti e dell’assemblaggio. I produttori di prototipi raggruppano spesso più ordini sullo stesso pannello di produzione, il che rende accessibili le piccole quantità. All’assemblaggio, i costi di avvio (stencil per la deposizione della pasta, programmazione della macchina di posizionamento, regolazione della linea) pesano molto su una scheda singola: il prezzo di qualche scheda in più è spesso modesto rispetto a questi costi.

Consegni un fascicolo compresso, con nomi chiari, in un’unica versione. ODB++ e IPC-2581 riuniscono questi dati in un unico formato: chieda al Suo produttore che cosa accetta. Apra i Gerber in un visualizzatore prima dell’invio: è il modo più rapido per individuare uno strato assente. Vedere anche i formati di file di produzione.

• Strati: uno o due per le schede semplici; quattro e più non appena densità, integrità dei segnali o piani di alimentazione lo impongono.
• Substrato: l’FR-4 è il più comune; poliimmide per il flessibile, alluminio per i LED, laminati speciali per le alte frequenze.
• Spessore e rame: 1,6 mm e 35 µm (1 oz) sono i valori standard; una corrente elevata richiede più rame.
• Finitura superficiale: l’HASL, economico, lascia una superficie meno planare; l’ENIG (nichel-oro) è adatto al passo fine e ai BGA.
• Capacità: larghezza delle piste, distanza di isolamento, diametro di foratura, via cieche o interrate, impedenza controllata. A titolo indicativo, piste e distanze di circa 0,15 mm (6 mil) e una foratura da 0,3 mm rientrano nello standard della maggior parte dei produttori; al di sotto, è un’opzione più costosa.

Le classi IPC descrivono il livello di requisiti: IPC-6012 per la produzione dei circuiti rigidi, IPC-A-610 per l’accettabilità delle schede assemblate. La classe 1 riguarda i prodotti generici, la classe 2 i prodotti il cui servizio deve restare duraturo, la classe 3 l’alta affidabilità (apparecchiature critiche, medicale, aeronautica). La classe 2 è il riferimento della maggior parte dei prodotti industriali: richiedere la classe 3 per un prototipo appesantisce il fascicolo se il Suo prodotto finale non vi è tenuto.

Per un’impedenza controllata, chieda al produttore il suo stack-up standard prima di effettuare il routing: determina le larghezze delle piste e modificarlo a posteriori obbliga a rifare il routing.

La distinta base (BOM)

Una BOM utilizzabile riporta, per ogni riga, i riferimenti (R1, C3…), la quantità, il valore, il package, il produttore e il suo codice, e le alternative accettate. Contrassegni i componenti da non montare. Verifichi la disponibilità prima di fissare il fascicolo: un componente esaurito o obsoleto ritarda l’intero progetto, e prevedere un’alternativa compatibile per i codici a rischio evita di rifare il fascicolo. Scelga chi approvvigiona: Lei, l’assemblatore (chiavi in mano) o un mix dei due. L’officina prevede spesso una scorta in più di piccoli componenti per le perdite di posizionamento, e le bobine hanno quantità minime.

Il file pick and place

Esportato dal Suo strumento CAD, indica per ogni componente il suo riferimento, le coordinate X e Y, la rotazione e il lato. Le convenzioni di rotazione differiscono da una libreria e da una macchina all’altra: un componente polarizzato (diodo, condensatore elettrolitico, circuito integrato) può essere montato al contrario. Alleghi un disegno di assemblaggio che indichi la polarità e il pin 1 e chieda una convalida prima dell’avvio.

• SMD (componenti a montaggio superficiale): saldati sulla superficie, senza foratura, su entrambi i lati. La pasta saldante viene depositata tramite stencil, i componenti sono posizionati da una macchina, poi passano nel forno di rifusione. Questa tecnologia è adatta ai package sottili; i giunti nascosti dei BGA e, in parte, dei QFN si controllano ai raggi X.
• THT (a foro passante): i terminali attraversano fori metallizzati. È meccanicamente più robusto, da cui l’uso per connettori, trasformatori, condensatori grandi e morsettiere. La saldatura avviene a onda, in modo selettivo o a mano: più operazioni, quindi un costo unitario più elevato.

La scheda mista è la più comune: prima gli SMD, poi i componenti THT. Privilegi gli SMD ovunque sia possibile e riservi il THT ai pezzi soggetti a sollecitazioni o a correnti elevate. Un assemblaggio su entrambi i lati raddoppia i passaggi di posizionamento e di rifusione: per un prototipo economico, è preferibile assemblare un solo lato. Se desidera saldare personalmente un primo esemplare, package di dimensione 0603 o superiore e passi da 0,5 mm o più restano alla portata; i BGA si saldano in pratica per rifusione. Nell’Unione europea, la direttiva RoHS limita l’uso del piombo: l’assemblaggio avviene in genere con una lega saldante senza piombo e qualsiasi requisito particolare va segnalato. Vedere il glossario: SMD e circuito stampato.

Cinque controlli DFM prima dell’invio

1. Lanci le regole di progettazione (DRC) con le capacità del Suo produttore.
2. Verifichi ogni footprint sulla scheda tecnica del componente: un footprint errato obbliga a rifare la scheda.
3. Lasci spazio attorno ai componenti per il posizionamento e il ritocco, e una zona libera di qualche millimetro al bordo della scheda per il trasportatore e la sagomatura.
4. Aggiunga dei marker di riferimento (fiducial) per la visione delle macchine e punti di test accessibili.
5. Curi i pad dei piccoli componenti passivi: pad asimmetrici favoriscono l’effetto «tombstone», in cui il componente si raddrizza durante la saldatura.

Ispezione e collaudo

Il circuito nudo può essere sottoposto a un test elettrico di continuità e di isolamento. Dopo la saldatura, l’ispezione ottica automatica (AOI) rileva componenti mancanti, spostati, invertiti e ponti di saldatura. Il test in circuit e il test funzionale richiedono punti di test e una procedura: si ripagano soprattutto in serie. Per un prototipo, l’officina si limita spesso all’ispezione e Lei collauda personalmente la prima scheda. Fornisca il firmware e la procedura di programmazione se l’officina deve caricarlo.

Alla ricezione della prima scheda

Controlli prima l’aspetto (componenti mancanti, polarità, saldature), poi misuri la resistenza tra ogni linea di alimentazione e la massa prima di qualsiasi messa sotto tensione. Alimenti poi per fasi, preferibilmente con un alimentatore da laboratorio a limitazione di corrente, e convalidi i blocchi uno alla volta (alimentazioni, clock, comunicazione) prima di testare il resto. Annoti gli scostamenti: alimentano la revisione successiva dello schema.

• La quantità di schede, con scaglioni (1, 5, 10) e l’eventuale necessità di una serie futura.
• Il fascicolo completo: Gerber, foratura, BOM, posizioni, disegno di assemblaggio.
• Le caratteristiche del circuito: strati, spessore, rame, finitura, colore della solder mask, eventuale impedenza, classe IPC richiesta.
• L’approvvigionamento: componenti forniti da Lei o acquistati dall’assemblatore, alternative accettate.
• L’assemblaggio: lati da assemblare, componenti THT, requisiti di saldatura.
• Collaudi e programmazione richiesti (ispezione, test funzionale, caricamento del firmware), vernice protettiva, imballaggio antistatico.
• Il termine di consegna, la data in cui dispone degli eventuali componenti forniti e il luogo di consegna.

Su Meaflow, pubblicare una richiesta è gratuito e senza commissioni: diversi fornitori possono inviarLe la loro proposta, che Lei confronta prima di scambiare tramite messaggistica. Per strutturare il fascicolo, utilizzi il generatore di capitolato. Per il seguito del progetto, legga dal prototipo alla serie e scopra il settore delle startup hardware nonché gli uffici tecnici per la progettazione.