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Introduzione allaprogettazione di PCB

Elettronica dei Sistemi Digitali L-AUniversità di Bologna, Cesena

Gianni Medoro, Aldo Romani

A.a. 2004-2005

5 – 19 Giugno 2003

Progetto di Sistemi Elettronici

www.micro.deis.unibo.it/~romani/pcb/index.htm

Le principali funzioni dei PCB

1. Garantire le interconnessioni elettriche tra vari

componenti elettronici

2. Fornire un supporto meccanico per i componenti della

scheda

3. Permettere la dissipazione del calore generato dal

circuito

5 – 19 Giugno 2003



Come sono realizzatiI PCB vengono realizzati assemblando sottili strati di dielettrico isolante con strati di

materiale elettricamente conduttivo:

1. Uno o piu’ substrati rigidi o flessibili (“core” e “prepreg”) fungono da isolante

2. Piste in rame su piu’ livelli (“layers” e “planes”) realizzano le connessioni elettriche

3. Fori conduttori (“vias”) collegano piste di layers diversi.

4. Una vernice superficiale e’ usata per proteggere le piste dalla ossidazione e per facilitare la saldatura (“solder”)

5. Serigrafia (“Silkscreen”) per segnare la posizione dei componeenti sulla scheda

5 – 19 Giugno 2003



Flusso di Progetto

PCB design

schematic

layout

gerber

PCB fabrication

PCB assembly

PCB testing operational

PCB packaging

Functional description and specifications

costs

mechanics

Layers number Device Package

Device arrangementSubstrate

Pcb dimension

Pcb shape

Laws & regulations

consumptions

EM pollutionCheck components availability

preliminary

performance

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Scelta del substratoPer la scelta del materiale dielettrico del substrato si considera:

• “Coefficient of Termal Expansion” (CTE)

• “Glass transition Temperature” (Tg)

• Conducibilita’ termica

• Rigidita’ meccanica

FR4 e’ il substrato piu’ comunemente usato per realizzzare circuiti stampati. Fibre di vetro e rame sono uniti da una resina epossidica.

Altri substrati comunemente usati sono:

• Polymide/fiberglass sostiene temperature piu’ alte ed e’ piu’ rigido

• FR2 economico, per elettronica di consumo

• KAPTON flessibile, leggero, per applicazioni specifiche

(display, tastiere)

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Scelta del numero di layersPer la scelta del numero di layers di un PCB si considera che:

• Aumentando il numero di layers si riduce la densita’ delle piste e eventualmente la dimensioni del PCB

• Aumentando il numero di layers aumenta il costo del PCB.

Per schede complesse con molti componenti SMD si usano generalmente:

• 2 layers per il posizionamento dei componenti (TOP e BOTTOM)

• 2 layers (interni) per le interconnessioni.

• 1 layer per la distribuzione delle masse (ground plane)

• 1 layer per la distribuzione delle alimentazioni (Power plane)

Per lo sviluppo di prototipi generalmente si preferisce utilizzare2 strati (interconnessione e posizionamento) + ulteriori 2 strati per la distribusione della massa e delle alimentazioni.

5 – 19 Giugno 2003



Scelta del tipo di packageComponenti THROUGH-HOLE o SMT?

sinoMontaggio automatico

nosiFacilmente sostituibili (zoccolo)

Alcuni tipisiMontaggio manuale

sinocompatto

SMTThrue-hole

In alternativa alcuni componenti vengono montati direttamente sul PCB:

COB (chip on board) o COF (chip on flexible)

Per lo sviluppo di prototipi generalmentesi preferisce utilizzare componentiThrough-Hole perche’ possono esseremontati manualmente in laboratorio e eventualmente rimossi e/o sostituiti

5 – 19 Giugno 2003



Tipi di package: Panoramica

5 – 19 Giugno 2003



Tipi di package: Esempi

5 – 19 Giugno 2003



AssemblaggioSu quali lati montiamo i componenti?

NoSiEconomicaNo Si Basso profilo

No Si Facilmente testabile (prototipi)Si Si CompattabottomtopScheda:

Per lo sviluppo di prototipi generalmente si preferiscemontare tutti i componenti “attivi” sul TOP layer per agevolare l’operazione di collaudo.

5 – 19 Giugno 2003



Disposizione dei componenti

Considerazioni:• Ridurre la lunghezza dei percorsi critici• Componenti analogici separati fisicamente da quelli digitali• Componenti di potenza separati fisicamente da quelli di precisione

(attenzione ai percorsi di corrente nei piani di massa!)• 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.

5 – 19 Giugno 2003



Capacita’ tecnologiche

• Produzione standard*:Foro minimo : 0.2 mmLarghezza minima conduttori : 0.12 mmIsolamento minimo fra conduttori: 0.12 mmNumero di layer: 20Spessore circuiti : 0.2 ÷ 5 mmSpessore rame : 17, 35, 70, 105, 150 µDimensioni max circuiti : 810 x 500 mm

(*Tecnomec Srl)

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Esempio di Progetto realizzato nei laboratori ARCES

Strumento per il controllo di BIO-SENSORI

5 – 19 Giugno 2003



Biomother v1.0 – Main FeaturesDigital section

• FPGA (20MHz)– Parallel port interface– XiRISC microprocessor– Waveform generation for chip

• 3MByte RAMAnalog section

• Direct Digital Synthesis (DDS) • Bias Generation• A/D Conversion for sensing readout

Other features• Re-programmed at each power-up• Thermal cooling/heating control• Expandable

Technology features• 2 layers + 2 planes (power and gnd)• Power supply: +/-12, +5 (externally)

-5, +2.5, +3.3 (internally)• SMD and Through-hole devices• Active devices on TOP and passive devices on

BOTTOM

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Biomother - PCB

5 – 19 Giugno 2003



PCB per la manipolazione di cellule

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