PCB design

[DrCox]

Data la mia inesperienza, desideravo avere un chiarimento su una questione.
Quando si parla comunemente di "PCB design", cosa si intende all'atto pratico?
Si intende unicamente il saper progettare un circuito a "schematic level"?
Si intende il progetto di un circuito a livello di schematico, per poi passare al posizionamento su scheda disegnando le piste?
Si intende unicamente il processo di collegare i componenti disegnando le piste?

In buona sostanza, quali sono le competenze che bisogna avere, concretamente, per poter rispondere "si" a chi ti chiede se sai fare design di PCB?

Perdonate l'ignoranza se ho già detto una marea di castronate

[PietroBaima]

Data la mia inesperienza, desideravo avere un chiarimento su una questione.

I forum servono a questo

Quando si parla comunemente di "PCB design", cosa si intende all'atto pratico?

Si intende il progetto dei Printed Circuit Board, cioè dei circuiti stampati.

Si intende unicamente il saper progettare un circuito a "schematic level"?

No. Si intende l'essere esperti di compatibilità elettromagnetica, sempre più di alta frequenza (per gli skew e per la scelta del materiale sul quale progettare il PCB, per esempio FR4, kapton, teflon...) Poi ci sono anche applicazioni speciali per esempio i circuiti a microstriscia, i filtri a microonde, i PCB su allumina per dissipazione utilizzati dagli elettronici di potenza, i PCB su silicio speciale per ottica ecc. ecc... E' un campo così vasto che diventa difficile generalizzare. Sicuramente è molto specialistico.

Si intende il progetto di un circuito a livello di schematico, per poi passare al posizionamento su scheda disegnando le piste?

Così è riduttivo. Oggi si pensa sempre di più che il PCB sia parte dello schema elettrico (non dire schematico che è una pigra traduzione dall'inglese) poiché molti componenti sono ... il PCB! Per esempio oggi si considerano sempre di più le spire realizzate dalle piste di un PCB, come anche le capacità delle piazzole per questioni di EMC. Si considera la lunghezza delle piste per i ritardi che introducono oppure per la potenza che dissipano. Gli elettronici di potenza una volta mi hanno chiesto di calcolare (fosse semplice...) la temperatura raggiunta da una determinata pista, che non potevano allargare per questioni di impedenza caratteristica, considerando l'effetto congiunto del calore in arrivo da una sorgente termica attaccata alla pista e dell'autoriscaldamento della pista stessa. Ci ho impiegato quasi due settimane.

Si intende unicamente il processo di collegare i componenti disegnando le piste?

No. Le piste SONO un componente dello schema. Lo condizionano per larghezza, impedenza caratteristica, lunghezza ecc...

In buona sostanza, quali sono le competenze che bisogna avere, concretamente, per poter rispondere "si" a chi ti chiede se sai fare design di PCB?

Fatta così puoi rispondere, a chi te la fa, che la domanda è mal posta. In quale campo bisogna progettare il PCB? alta frequenza, potenza, alte tensioni, bassa frequenza...
Gli ingredienti di base oggigiorno richiesti al masterista di professione sono però:

• saper usare bene un cad di disegno circuitale e di sbroglio schede (ovvio)
• sapere in modo decente la EMC (compatibilità elettromagnetica)
• avere conoscenze di elettromagnetismo, di termodinamica e di circuiti elettronici e non utimo di fisica.

Perdonate l'ignoranza se ho già detto una marea di castronate

perché? Mi sembra che tu abbia fatto domande assolutamente lecite, se è lecito dire lecite

Ciao,
Pietro.

[DirtyDeeds]

Si intende unicamente il processo di collegare i componenti disegnando le piste?

Questo. Ma scritto così è un po' riduttivo. Il compito nel caso di circuiti complessi è tutt'altro che semplice e fare le cose bene richiede anni di esperienza. Nelle ditte che effettuano progettazione ci sono persone che si occupano solo del disegno dei PCB (i cosiddetti "masteristi"). Questi devono conoscere il processo produttivo e i limiti che impone (dimensioni delle piste, clearance ecc.), sapere come dimensionare le piste in base alle correnti, sapere come realizzare linee di trasmissione, sapere come disporre i componenti per evitare problemi termici ecc.

Anche le ditte che producono PCB hanno i loro disegnatori: una ditta che non abbia masteristi può chiedere a chi realizza il PCB di fare anche il disegno a partire dallo schematico.

Per avere un'idea di alcune problematiche di consiglio anche solo di sfogliare gli standard IPC 2221 e IPC 2141 (che qualcuno ha lasciato in giro )

Insomma, non si tratta solo di tirare qualche linea

PS: PietroBaima mi ha preceduto ed è stato molto più completo

[DrCox]

Intanto grazie per le risposte.

• saper usare bene un cad di disegno circuitale e di sbroglio schede (ovvio)
  ...

Per esempio?
A schematic level ho un po' di pratica con OrCad e so che esso offre anche tool per i PCB.
Oltre a questo, quali alternative ci sono?

In particolare tra

• CAD freeware con cui fare pratica
• CAD usati principalmente in ambito produttivo

quali mi citeresti?

alta frequenza, potenza, alte tensioni, bassa frequenza...

Ok. Mi è chiaro che per interconnettere più componenti a radiofrequenza devo rispolverare gli appunti di propagazione guidata e microonde.
Mi è chiaro (?) che per applicazioni di potenza ci siano problemi di temperatura (immagino).
Ma in bassa frequenza, a parte eventuali questioni di EMC, quali accorgimenti prendere? Oltre che ottimizzare lo spazio disponibile e ridurre al massimo la lunghezza delle piste, lasciando perdere eventuali applicazioni a correnti elevate che mi obbligano a dimensionare più larghe le piste, mi sfuggono le ulteriori problematiche.

avere conoscenze di elettromagnetismo

presumo dunque che anche in quest'ambito siano largamente utilizzati software di simulazione e.m. (HFSS, Momentum, ...); immagino si possano utilizzare tali tool per progettare ad esempio induttori integrati.
Cos'altro?

come disporre i componenti per evitare problemi termici

Hai da suggerirmi qualche manuale/articolo di termodinamica applicata a tali problematiche?
O ritieni che quelle 5-6 pagine riguardanti il calore sullo standard IPC2221 possono bastare per farsi un'idea di come muoversi in questo ambito?

[DirtyDeeds]

Ma in bassa frequenza, a parte eventuali questioni di EMC, quali accorgimenti prendere?

A parte che le eventuali questioni EMC sono già un bel casino, stai approcciando il problema dalla parte sbagliata.

Innanzitutto (ed è una cosa che ho già detto altre volte nel forum perché è un errore che ritorna), non bisogna suddividere le problematiche di progettazione di un PCB in bassa/alta frequenza, perché può essere fuorviante. Ciò che importa è l'estensione dello spettro dei segnali coinvolti. Per esempio, se hai un'onda quadra di 1 Hz, potresti pensare di essere in bassa frequenza; ma se quell'onda ha un tempo di salita di 1 ns, lo spettro si estende fino al GHz e oltre.

Poi, anche nella cosiddetta "bassa frequenza", gli accorgimenti da prendere dipendono dalla funzione del circuito, quindi bisogna essere in grado di capire bene la funzione delle varie parti, anche solo per disporre correttamente i componenti. E poi ci sono i piani di riferimento, gli anelli di guardia (p.es. qui ne avevo parlato), i percorsi delle correnti...

[PietroBaima]

Intanto grazie per le risposte.

prego. dovere di forum

Per esempio?
A schematic level ho un po' di pratica con OrCad e so che esso offre anche tool per i PCB.
Oltre a questo, quali alternative ci sono?

I CAD che permettono di fare questo lavoro sono praticamente sterminati e ogni ditta è molto
affezionata al proprio, quindi (a meno che tu non voglia lavorare in proprio) ti chiederanno di
imparare il CAD che usano internamente.
Orcad è il tool che conosco anche io, anche se ero rimasto un po' indietro con il vecchio Layout.
Oggi la Cadence è passata ad utilizzare Allegro e quindi in questo periodo nel pochissimo tempo
libero che ho sto guardando Allegro.
Ti premetto che io non faccio il masterista e lo sto imparando per gusto personale.
Qui hai diversi pacchetti software CAD per il progetto di PCB, freeware e non.
I più usati so che sono Orcad, Mentor e Altium. Ma, ripeto, ogni ditta, dopo averlo acquistato, si affeziona al suo, quindi se devi fare un lavoro di generalizzazione non ti resta che imparare la filosofia del minimo comune denominatore su cui funzionano: schema, netlist, rastnet ecc... e anche le tecniche EMC e tutto il resto che ti ho già detto quali criteri di progetto.

Ma in bassa frequenza, a parte eventuali questioni di EMC, quali accorgimenti prendere? Oltre che ottimizzare lo spazio disponibile e ridurre al massimo la lunghezza delle piste, lasciando perdere eventuali applicazioni a correnti elevate che mi obbligano a dimensionare più larghe le piste, mi sfuggono le ulteriori problematiche.

In bassa frequenza, in analogica il problema fondamentale è quello di essere chiusi a fruscii e disturbi e anche quello di non catturare disturbi in ... alta frequenza! sai perché? perché quei cattivoni di EMC buttano un segnale in AF modulato in AM con una sinusoide, alle volte anche di poche centinaia di Hz. Se il PCB è mal fatto dal punto di vista dell'EMC le piste, non progettate per AF, catturano il segnale AF e lo "sparano" all'interno di un integrato o transistor, il quale non è minimamente pensato per sopportare quelle frequenze. La prima giunzione che incontra il segnale viene raddrizzato e mediato dalla banda passante insufficiente del dispositivo che lo ha raccolto. Si ha quindi una demodulazione in ampiezza che rivela il segnale che modulava la portante. Il segnale è ora in BF e si propaga nel PCB creando guai. Questa è solo una delle tante problematiche in BF, ma ce ne sono davvero tante altre, di cui i masteristi tengono certamente conto nella fase progettuale.

presumo dunque che anche in quest'ambito siano largamente utilizzati software di simulazione e.m. (HFSS, Momentum, ...); immagino si possano utilizzare tali tool per progettare ad esempio induttori integrati.
Cos'altro?

Mah, a dire il vero non uso spesso software di simulazione specifici. Ammetto però che alcuni sono molto belli, per esempio FEMM, che ho avuto il piacere di vedere utilizzato su questo sito.
Ce ne sono tantissimi, e alla fine il discorso diventa simile a quello dei CAD: ogni ditta usa il suo.
Io uso Mathematica, sul quale di volta in volta implemento un programma ad hoc, soprattutto per ragioni di velocità di esecuzione. In ditta abbiamo comperato alcuni pacchetti pronti, per esempio il solutore delle equazioni di Navier-Stokes, il metodo generalizzato dei momenti ecc... che non avrei proprio avuto voglia di implementare da solo (e sarebbe stato anche stupido fare)
Il 90% dell'uso di questi programmi non è tanto per il progetto ma per l'analisi. Gli ingegneri (io non lo sono) sanno bene come fare i progetti e, successivamente, vogliono testarli per vedere cosa funziona e cosa no. E' questo il momento in cui intervengono questi tool. Progetti complessi vengono sempre divisi in tanti progetti più semplici.

Ciao,
Pietro.

[PietroBaima]

Adesso sei tu che mi ha preceduto, DirtyDeeds siamo pari

Innanzitutto (ed è una cosa che ho già detto altre volte nel forum perché è un errore che ritorna), non bisogna suddividere le problematiche di progettazione di un PCB in bassa/alta frequenza, perché può essere fuorviante. Ciò che importa è l'estensione dello spettro dei segnali coinvolti. Per esempio, se hai un'onda quadra di 1 Hz, potresti pensare di essere in bassa frequenza; ma se quell'onda ha un tempo di salita di 1 ns, lo spettro si estende fino al GHz e oltre.

Verissimo. Bel colpo.
Come vedi, DrCox, gli ingegneri sanno il fatto loro!!


Pietro.

[DrCox]

Avete un libricino da consigliarmi che presenti qualche "esercizio", anche semplice, per avvicinarsi a quest'ambito?

I prerequisiti da voi citati li ho (forse ), ma non ho mai avuto occasione di ritrovarmi di fronte ad un problema pratico in cui tutti questi ambiti si riuniscono insieme per dar luogo ad un progetto completo da realizzare fisicamente e poi testare.

[PietroBaima]

Purtroppo non ho la minima idea su quale libro consigliarti, che tratti di PCB ad un livello decente.
Online troverai tanti dubbi libri per principianti, ma dando un rapido sguardo ti renderai conto che
è meglio prendersi un CAD per masteristi e cominciare a giocarci.

Forse DirtyDeeds ne conosce qualcuno serio; io posso provare a chiedere a qualche collega, ma ho la personale impressione che questo mestiere si impari bene quando si è affiancati da un collega masterista più anziano.
Tieni conto che se vuoi fare il masterista per una ditta di progettazione non realizzaerai mai fisicamente un PCB (a meno che tu non voglia trasferirti in Cina) ma lo progetterai al CAD con l'esperto di EMC seduto sulla spalla a dirti "così non va bene" ogni 3 secondi. Farai le prove di stress termico a sollecitazione diretta e a fatica (poi il PCB viene mandato a fare una radiografia per vedere come si è interrotta la pista), le prove di EMC radiate e condotte, le riflettometrie con l'analizzatore di reti e molte altre prove che i masteristi fanno con l'esperto di turno.

Per questi motivi (e anche perché è un po' difficile avere tutta questa strumentazione a casa) l'unica cosa che puoi fare da solo è imparare la filosofia dei vari CAD.
Se hai tempo e voglia potresti imparare magari l'uso di più CAD, in modo da essere più flessibile e appetibile alle ditte, che senz'altro gradiranno la tua intraprendenza.


Pietro.

[richiurci]

provo ad aggiungere una considerazione che forse da quanto scritto non si evince...

Molto dipende dalla complessità dei circuiti da realizzare! Io lavoro in una ditta di telecomunicazioni dove realizziamo circuiti dalle basse frequenze IF (quindi per noi fino a centinaia di MHz) fino alle microonde (80 GHz al momento).

Per la complessità dei temi e dei software utilizzati le figure professionali tendono sempre più a specializzarsi, quindi il progettista a microonde è diverso da quello IF (con possibili sovrapposizioni) ma soprattutto il CAD elettrico, dove 'sbrogliano' le PCB, è un ente a parte e non capisce quasi una 'mazza' di aspetti come impedenze, EMC ecc. Sono tutti presi dalla complessita del software utilizzato per sbrogliare PCB multistrato.

Quindi il PCB designer è affiancato dal progettista, e contribuisce non solo con l'uso del software ma anche con competenze specifiche es su tolleranze e dimensioni limite delle piste, distribuzione di fori metallizzati e masse diffuse ecc.
Poi comunque alla teoria viene affiancata l'esperienza, realizzata anche al banco, relativamente ai problemi più 'ostici' come EMC o dissipazioni termiche, ancora dal progettista o da tecnici di laboratorio.

Quindi a meno che non si tratti di una ditta 'piccola', dove magari chiedono di sapere un po' tutto ma la complessità dei circuiti da realizzare è minore, a un PCB designer si chiede la competenza relativa allo 'sbroglio', quindi uso di un software (e di solito appunto c'è uno standard aziendale) e conoscenza delle problematiche di layout