giovedì, Ottobre 5, 2023
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Progettare PCB con i courtyard

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Quando progettiamo le schede, naturalmente ci concentriamo innanzitutto sulla funzionalità elettrica. Ma alla fine dobbiamo anche produrre l’oggetto e questo comporta considerazioni che è meglio affrontare il più presto possibile nel processo di progettazione.

I Courtyard (in italiano cortile, ma anche contorno) sono un importante strumento di progettazione che ci aiuta a garantire che le nostre schede siano producibili in modo coerente e affidabile.

Cosa sono i Courtyard e perché ne abbiamo bisogno

Un courtyard è un’area virtuale definita a una certa distanza dal profilo fisico di un componente. Viene creato a livello di componente come parte della definizione dell’ingombro (footprint) e viene utilizzato per indicare ai nostri strumenti di progettazione dove non devono entrare altri courtyard.

Il courtyard è definito a una distanza dal confine fisico del bordo del componente. L’area del courtyard meno l’area del componente è l'”eccesso”.

Ecco alcuni motivi per cui si desidera avere uno spazio libero da altri componenti intorno ai componenti:

  • La maggior parte delle fasi di produzione dei circuiti stampati (PCB) prevede una certa tolleranza di registrazione per cui l’allineamento potrebbe non essere perfetto; questo è un dato di fatto di qualsiasi processo di produzione. Lasciando spazio per la peggiore combinazione di errori di registrazione, ci assicuriamo che i componenti non si scontrino tra loro in molte fasi di produzione.
  • Le teste di assemblaggio che prelevano e posizionano i componenti devono muoversi in spazi minuscoli in cui i componenti già posizionati potrebbero essere d’intralcio; avere più spazio permette loro di farlo senza sbattere contro di essi.
  • Lo spazio aiuta l’ispezione ottica a rilevare i problemi dopo l’assemblaggio.
  • Lo spazio maggiore tra i componenti aiuta a ridurre la densità di calore grazie a un maggiore flusso d’aria.
  • A volte i componenti di grandi dimensioni proiettano un’ombra sui componenti più piccoli posizionati accanto a loro. Questo può causare “punti freddi” in cui la pasta saldante si scioglie lentamente rispetto ad altre aree della scheda durante l’assemblaggio, causando difetti.
  • Infine, se è necessario eseguire delle rilavorazioni, è sempre gradito avere più spazio a disposizione!

Componenti come trasformatori e dissipatori di calore “pendono” sopra la scheda e creano restrizioni per ciò che può essere posto sotto di essi. Un courtyard può imporre alcune di queste restrizioni.

Lo spazio nella macchina di assemblaggio può essere piuttosto ristretto e la parte che posiziona i componenti ha bisogno di manovrare tra i componenti. Un courtyard e può garantire una distanza minima conforme alle capacità del produttore.

L’IPC (IPC-7351B) definisce i courtyard come “la più piccola area rettangolare che fornisce una distanza elettrica e meccanica minima (courtyard excess – eccesso di courtyard) intorno ai confini combinati del corpo del componente e del modello di terreno”. Ma i rettangoli non vanno molto bene perché possono “consumare” troppo spazio intorno a un componente, come gli angoli di un QFP che potrebbero essere utilizzati per collocare dei passivi. Mi risulta che la bozza della versione “C” delle specifiche utilizzi i più efficaci “poligoni”, anche se l’industria sembra essere già a buon punto in termini di utilizzo pratico dei courtyard.

L’uso di un poligono rende disponibile un’area aggiuntiva rispetto all’uso di un rettangolo per definire il courtyard.

Le specifiche dell’IPC sulla grandezza del courtyard dipendono da tre diversi livelli di densità dei componenti. Ma dobbiamo ricordare che l’IPC fornisce linee guida in qualche modo conservative, perché sono destinate ad essere applicate alla più ampia gamma possibile di capacità delle apparecchiature. In realtà, e sempre secondo l’IPC, le dimensioni effettive dei courtyard sono determinate dalle macchine specifiche che utilizzeremo, dalla nostra destrezza nel saldare a mano o anche dalla particolare posizione di un componente rispetto agli altri sulla scheda.

Usare i courtyard in modo efficace

L’efficacia dei courtyard dipende da due fattori. Dal progettista, che deve definirli meticolosamente e impostare correttamente i Design Rule Checker (DRC) degli strumenti EDA. E dalla capacità dei DRC di rilevare effettivamente tutti i problemi. Queste impostazioni devono essere riconciliate con le specifiche del produttore per assicurarsi che non siano in conflitto.

Ma qui c’è una sottigliezza. Se mettiamo due componenti identici l’uno accanto all’altro e ne uniamo i courtyard, di fatto raddoppiamo la distanza del courtyard. In questo caso dobbiamo sapere da cosa ci protegge il courtyard nell’elenco precedente e per quale produttore specifico stiamo progettando. Se vogliamo una scheda che possa essere prodotta ovunque, attenersi alle regole IPC è una buona idea. Ma se dal lato EDA potremmo incorrere in una violazione del DRC per violazioni del courtyard, dal punto di vista della producibilità andrà tutto bene. Tutto questo può diventare doloroso quando si passa dalla produzione di prototipi in un luogo alla produzione in un altro… una riprogettazione. Vale la pena di pensarci il prima possibile!

Nella prima immagine vediamo la vista in KiCAD con le frecce che indicano le violazioni del courtyard dopo l’esecuzione del DRC (in particolare Q1-Q4). Nella seconda immagine abbiamo la vista del ‘CPL Editor’ di Eurocircuits Visualiser; il CPL checker (verificatore CPL) accetterà la distanza tra Q1 e Q2 perché considera le capacità produttive di Eurocircuits piuttosto che le regole IPC. (Tuttavia, è un buon posto per vedere quali violazioni IPC esistono, in modo da poterle correggere se necessario). Nell’ultima immagine vediamo il ‘CPL checker’ che si lamenta della violazione del courtyard tra Q3 e Q4: questo non è producibile da Eurocircuits!

Alcuni progettisti scelgono di utilizzare il livello di legenda del componente (component’s legend layer) come pseudo definizione del courtyard, ma ritengo che sia una cattiva idea. Ecco perché:

  • La DRC non individuerà alcun problema, quindi si perde uno dei vantaggi principali dei courtyard.
  • Esiste un limite minimo allo spessore del tratto della serigrafia che è piuttosto ampio nel contesto dei piccoli componenti con cui progettiamo oggi. Ciò significa che sullo schermo è una caratteristica dominante, distraente e imprecisa.
  • La registrazione della legenda non è così stretta come quella degli strati (layer) di rame o di soldermask, per cui sulla scheda fisica appare disordinata e illeggibile.
  • Con l’aumentare della densità delle schede, non c’è molto spazio per la legenda e questi elementi visivi sono i primi a scomparire quando lo spazio è ridotto.

Per riassumere, non dovremmo usare un elemento visivo con un vincolo DRC. Invariabilmente, con il progredire della progettazione, questi elementi entreranno in conflitto e perderanno entrambi la loro efficacia e il loro scopo. Evitatelo. Spendete del tempo per definire i courtyard quando create il footprint, ottenendo i benefici del DRC e liberando la legenda per ciò a cui è destinata.

Come ci aiuta il nostro Visualiser

Il nostro PCB Visualiser è un potente strumento che utilizzerete quando ci ordinate una scheda. Aiuta sia voi che noi a ottenere un prodotto “giusto al primo tentativo”. Come sempre, potete iniziare a usarlo come visualizzatore ‘esterno’ per vedere se ci sono problemi evidenti.

Il nostro Assembly Visualiser è in grado di valutare la correttezza degli ingombri (footprint) quando caricate una distinta base (BOM – Bill of Materials) e un elenco di posizionamento dei componenti (CPL – Component Placement List) e se dispone dei footprint nel suo database. Vi dirà anche se ci sono problemi con il courtyard che ci impediscono di assemblare la scheda. Se il Visualiser non ha il footprint nel suo database, non sarà in grado di verificare la correttezza del footprint. Per questo motivo, se è possibile per il vostro progetto, provate a utilizzare componenti che abbiamo nel nostro database.

Il nostro Visualiser vi avviserà se non possiamo produrre le schede e vi indicherà se il posizionamento dei componenti è conforme alle specifiche IPC per le violazioni del courtyard. È importante assicurarsi che i courtyard siano corretti per le capacità del prototipo e dei produttori di produzione, per evitare una riprogettazione.

Per informazioni clicca qui

Per informazioni sulle Components Guidelines clicca qui

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