Tutto parte da questo articolo di TardoFreak su un semplice circuito che fa accendere delle strisce di led a ritmo di musica. Ho deciso di realizzare questo circuito per imparare a padroneggiare gli strumenti necessari per far produrre i circuiti stampati a ditte specializzate nel settore. Sul web ho trovato pochi tutorial sull'argomento, per cui ho pensato che raccogliere le cose che ho imparato durante questo piccolo progetto in un articolo per il blog potrebbe essere utile a chi, come me, si avvicina per la prima volta a questo tipo di lavorazioni. In seguito farò un breve descrizione del disegno del pcb, senza focalizzarmi troppo sugli aspetti tecnici dell'editor perché ognuno usa quello che preferisce, poi sulle procedure necessarie per esportare i file usati dalle macchine a controllo numerico per la produzione, farò questi ultimi esempi utilizzando OrCad Layout ma la maggior parte delle cose riportate sono standard per cui si possono applicare facilmente a tutti gli editor.

Disposizione dei componenti

L'idea è quella di realizzare una scheda fatta nel seguente modo:

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

a sinistra si hanno il connettore a due poli dell'alimentazione e il connettore a tre poli (Left, Right, Gnd) dell'ingresso audio; in uscita si ha un connettore a quattro poli, due per il controllo delle strisce led corrispondenti ai canali Left e Right e due per riportare in uscita l'alimentazione e rendere più comodo il collegamento delle luci. Come connettori ho scelto delle morsettiere da circuito stampato di passo 5 mm per rendere più agevoli i vari collegamenti, un alternativa potrebbe essere montare un connettore plug femmina per l'alimentazione e uno jack audio femmina per l'ingresso. La disposizione dei componenti nella basetta è la seguente:

componenti.png

ho cercato di disporre i componenti in modo da rendere le piste più corte e dritte possibili, lasciando però spazio ad aree di rame generose e piste larghe il più possibile. I due Mosfet sono disposti ai lati con la parte metallica del contenitore rivolta verso l'esterno, in modo da poter montare facilmente un'eventuale aletta di raffreddamento.

Sbroglio delle piste

Lo sbroglio delle piste non è critico per il funzionamento del circuito, cioè nel limite di scelte ragionevoli non ne pregiudica il funzionamento. L'unico accorgimento che ho avuto è stato di tenere separati i riferimenti di segnale, ovvero quelle del segnale audio e dell'alimentazione dell'integrato, dai riferimenti di potenza, ovvero quelle collegate ai Mosfet che chiuderanno il circuito di alimentazione dei led. Le reti sono state unite a saldature ultimate con un ponticello. La pista che porta l'alimentazione ai led è stata disegnata con massime dimensioni possibili, poiché potrebbe dover sopportare correnti abbastanza alte. Il risultato è il seguente:

piste.jpg

File Gerber

I file gerber sono un formato utilizzato dall'industria che produce circuiti stampati per stabilire le caratteristiche di un disegno quali, ad esempio, piste, fori, diametri e serigrafie; questi file vengono caricati su macchine a controllo numerico e guidano tutto il processo di produzione della piastra.

Ci sono due formati oggi in circolazione: il Gerber RS274-X (extended gerber) e il Gerber RS274-D (non extended gerber o standard gerber), la maggior parte delle ditte gestiscono entrambi i file ma preferiscono l'invio del primo tipo, questo perché il file standard gerber deve essere affiancato da un ulteriore documento, il file delle aperture, che contiene informazioni sulle zone di rame della basetta, e ciò lo rende un po' più scomodo da gestire e più esposto ad errori. In seguito mi concentrerò sulla generazione degli extended gerber.

Gerber richiesti per la produzione

In generale i file gerber richiesti dalle ditte che eseguono la produzione sono i seguenti

• rame lato componenti (top layer o TOP)
• rame lato saldature (bottom layer o BOT)
• solder lato saldature (solder mask bottom layer SMB)
• solder lato componenti (solder mask top layer o SMT)
• serigrafia lato componenti (silk screen top layer o SST)

in genere non è richiesto ma può essere comunque utile inviare la mappa delle saldature ovvero il gerber corrispondente al drill drawing layer o DRD. Di questi file poi invieremo solo quelli che ci servono, ad esempio se stiamo richiedendo un semplice prototipo mono faccia, dovremo inviare solo il BOT e il DRD.

Generazione dei gerber con OrCad Layout

In seguito farò una breve descrizione di come ho generato i file necessari utilizzando il mio editor. La prima cosa da fare, a disegno ultimato, è di settare le impostazioni gerber, questo si fa cliccando sul menù "options->gerber settings", dovrebbe apparire una finestra come la seguente:

GERBER PREFERENCES

"X SIZE" e "Y SIZE" sono le dimensioni in mills del gerber che verrà prodotto, devono essere tali da contenere abbondantemente il circuito che abbiamo disegnato, se non è già fatto selezioniamo "3.4 Format" come "Output resolution". Clicchiamo su ok per chiudere, a questo punto si è pronti per partire. Andiamo sul menù "Window->Post process", si apre questa finestra:

POSTPROCESS

io per abitudine disabilito sempre tutti i layer e riabilito uno ad uno solo quelli che mi servono cliccando sul nome e settando queste impostazioni nella finestra che appare:

SELEZIONE FORMATo

le varie opzioni credo siano abbastanza comprensibili per cui non mi dilungo a spiegarle. Questo era un circuito monofaccia quindi non ho esportato i file relativi al layer TOP a eccezione di quello delle serigrafie, per generare i file si seleziona il menù "Auto->Run post processor"; nella cartella in cui si sta lavorando vengono creati i gerber, ciascuno ha l'estensione con il nome del layer al quale appartiene, a me piace riportare questa informazione nel nome e rinominare l'estensione in .gbr perchè è poi più semplice associare a questi file a un visualizzatore (nel caso del layer SST è necessario farlo perchè l'estensione .SST ha un conflitto con un altro tipo di file e ci sarebbe altrimenti impossibile aprirlo).

I miei file sono questi:

bot_gbr.png

sst_gbr.png

smb_gbr.png

drd_gbr.png

Siccome poi ho optato per un prototipo economico, il mio stampato non ha le serigrafie e il soldermask, ma i file li ho mandati lo stesso perchè possono facilitare alla ditta la comprensione del giusto orientamento del disegno.

Visualizzare i file gerber

Una volta generati i file credo sia buona abitudine ricontrollare sempre i risultati e non fidarsi ciecamente della macchina perché potremmo sempre aver dimenticato qualche impostazione o di ottimizzare qualcosa. Per visualizzare i file gerber ci sono diverse opzioni; qui vi propongo due programmi, uno gratuito che permette di visualizzare ed esportare in altri formati ma non di effettuare modifiche ed è Gerbv di cui esistono versioni sia per Windows che per Linux. Un'altra soluzione, più avanzata perché permette di visualizzare e modificare non solo i gerber ma anche altri file per cnc, si tratta di Cam350, che però è utilizzabile solo in versione demo o a pagamento.

Il file di foratura

Oltre ai file gerber che sono stati generati in precedenza c'è bisogno di un ulteriore file per la produzione, ovvero il file di foratura detto NCDRILL. Il formato più diffuso di questo file si chiama Excellon ed è un semplice file di testo che contiene le coordinate dei fori e i loro diametri; è fatto nel seguente modo:

%T2C0.0540F200S100
 
X002000Y014500
 
X002000Y015500
X002000Y016500
X010000Y023500
X012000Y023500
X014000Y010000
X014000Y023500
X015000Y014000
X016000Y010000
X016000Y023500
X024250Y014500
X024250Y015500
X024250Y016500
X007000Y004000
X009000Y004000
X013000Y004000
X015000Y004000
X017000Y004000
M30 
 

questo stralcio di codice presenta nella riga iniziale, dopo il %, un identificativo dell'utensile e il diametro del foro, poi ci sono altre informazioni e nelle righe che seguono ci sono le coordinate di tutti i fori aventi quel diametro. Questo è solo un esempio, in un file ci possono essere molti diametri.

Generare il file di foratura con OrCad Layout

In seguito al processo che abbiamo eseguito per esportare i gerber è stato generato anche un file di estensione .tap, questo è il file di foratura, se provate ad aprirlo con un editor di testo ne potrete verificare il formato. Bisogna fare attenzione perchè OrCad genera due file distinti di foratura per i fori metallizzati e per i non metallizzati, il file per questi ultimi ha estensione .npt e ed è necessario unirlo manualmente al primo file generato (copia e incolla) stando attenti a non distorcere il formato standard del file. Siccome l'estensione .tap non è standard può essere comodo, per evitare problemi, cambiare l'estensione di questo file in .drl .

Può succedere che OrCad, alla fine del post process, non generi questo file; per risolvere questo problema si deve selezionare il menù "View Spreadsheet->Layers", si seleziona il layer "Drill" con un doppio clic e si spunta l'opzione evidenziata nell'immagine che segue:

drilllayer.png

CONSIGLIO: state attenti a controllare i diametri dei fori, il programma spesso usa inutilmente diametri diversi per fori circa uguali, ad esempio, resistenze da 0.25 W, diodi di segnale, piccoli condensatori e zoccoli per circuiti integrati possono entrare comodamente negli stessi diametri. Modificateli a mano e controllate bene che non siano troppo grandi o troppo piccoli per il componente che deve entrare, dove si può usate un solo diametro e non tanti, ci saranno meno difficoltà nelle fasi sucessive.

Il risultato finale

A titolo di esempio, o se qualcuno fosse interessato a riprodurre il circuito, a questo link si può trovare lo schema elettrico in pdf che ho usato per la realizzazione dello stampato mentre a questo indirizzo è possibile scaricare un archivio con i file che ho usato per la produzione dei miei circuiti.

In seguito ci sono alcune foto del circuito e un video del suo funzionamento.

DSCN1299.JPG

DSCN1305.JPG

Link

Per chi è curioso: a questo indirizzo si può scaricare un pdf con le specifiche dei formati gerber mentre a quest'altro indirizzo si possono trovare delle informazioni sul file di foratura.

Vorrei infine ringraziare TardoFreak per aver ideato e pubblicato lo schema da cui tutto è partito e BrunoValente e AOX per chiarito alcuni dubbi sorti durante lo sviluppo dello stampato.

Spero di essere stato abbastanza chiaro e sintetico nella spiegazione, ovviamente per eventuali segnalazioni o domande sono qua :-)