PCB professionali con KiCad e PcbWay

maggio 20th, 2016 | Posted by Marco Plessi in Recensioni | Elettronica | Visite: 5.059

Se si vuole fare un salto di qualità notevole e iniziare a produrre PCB professionali, è possibile grazie al servizio online PcbWay, che produce PCB di qualità a basso costo. Spiegazione di come realizzare il progetto con KiCad e ottenere i pcb pronti grazie a PcbWay.

Io utilizzo KiCad per disegnare gli schemi elettronici, è una suite gratuita di software molto utili, che permettono di iniziare con il disegno dello schema e arrivare al progetto finito del PCB, che potrà essere inviato ad aziende o servizi, come PcbWay, per la produzione.
Il risultato finale sarà qualcosa di questo tipo:

pcb_pcbway_02

Iniziamo con lo schema disegnato su KiCad, in questo caso prendiamo come esempio quello dello starter elettronico per pulsoreattore:

finestra_schema

Per prima cosa bisogna annotare i componenti, ovvero denominarli univocamente. Per farlo in modo automatico, cliccare sul pulsante con il simbolo dell’operazionale:

barra_strumenti_kicad_schema_annotazione

Quindi, si può procedere all’associazione delle impronte. Le impronte non sono altro che il “disegno” delle piazzole (e dei dettagli da serigrafare) che corrispondono al componente. Per fare questo, cliccare sul pulsante di CvPCB:

barra_strumenti_kicad_schema_cvpcb

Si avvia CvPCB:

cvpcb

La colonna centrale NON sarà compilata, nell’immagine lo è perché come esempio ho preso il progetto già finito.

Nella colonna a sinistra ci sono le librerie delle impronte, e nella colonna a destra ci sono le impronte contenute nella libreria. Per visualizzare l’anteprima dell’impronta selezionata, si può cliccare sul pulsante “visualizza impronta selezionata”: icona_visualizza_impronta_cvpcb che aprirà una finestrella con l’impronta, nella quale si può navigare per controllare che l’impronta sia adatta al componente.

Nella colonna centrale ci sono i componenti dello schema. Quando si seleziona un componente qui, la visualizzazione sullo schema verrà centrata su di esso, quindi è comodo tenere sul monitor la finestra dello schema, CvPCB e l’anteprima impronte, tutte affiancate.

Facendo doppio click su un’impronta (nella colonna a destra), questa verrà assegnata al componente selezionato.
Quando l’assegnazione è ultimata, si può salvare e chiudere CvPCB.

Quindi, nella finestra dello schema, cliccare sul pulsante apposito per esportare la NetList:

barra_strumenti_kicad_schema_netlist

Viene chiesto dove salvare la netlist, di default è impostato nella cartella del progetto, lasciare tutto così come è e cliccare su “Salva”.

Adesso si può aprire Pcbnew, che è il software per la creazione del PCB. Per farlo si può cliccare sul pulsante apposito, sempre dalla finestra dello schema (il pulsante è anche nella paginetta principale di KiCad):

barra_strumenti_kicad_schema_pcbnew

Si aprirà Pcbnew, caratterizzato dallo sfondo nero:

pcbnew_finestra

Prima di iniziare, è necessario controllare alcune impostazioni. Pcbnew supporta la creazione di pcb fino a 32 strati, per cambiare questa impostazione, dal menu “Regole di progettazione” cliccare su “Configurazione strati”. In questo caso ho impostato 2 strati (ovvero il fronte e il retro, o Front e Bottom).

Quindi è necessario specificare alcuni preset per la larghezza delle piste e il diametro dei vias. Per fare questo, sempre dal menu “Regole di progettazione”, cliccare su “Regole di progettazione”, quindi attivare la scheda “Regole globali di progettazione”. Qui è possibile specificare la larghezza delle piste, che si selezionerà dall’apposito menu rapido durante la progettazione, e il diametro dei vias (foro e piazzola).

Quindi, ultimate le impostazioni, è necessario importare la Netlist, cliccando sul pulsante apposito:

barra_strumenti_kicad_pcbnew_netlist

Si aprirà una finestra in cui si impostano alcuni parametri. Lasciare tutto così e cliccare sul pulsante “Leggi netlist corrente“.
Nel caso in cui si apportano modifiche allo schema, si può reimportare la netlist, allora in quel caso bisognerà cambiare i parametri in base al tipo di modifica.
Dopo l’importazione, ci saranno tutti i compoenti sovrapposti:

kicad_pcbnew_componenti_sovrapposti

Conviene spostarli tutti i un angolo del disegno, in modo da avere l’area libera. Quindi, se non sono molti, “aprire” i componenti in modo da avere più chiara la situazione. Per farlo velocemente, si può premere “T” sulla tastiera, che apre una finestra in cui si può digitare il nome di un componente (es. “X1”, “R4” ecc..) e premere invio, quindi si avrà automaticamente il componente selezionato e in modalità di spostamento. Con “R” si ruota l’impronta e cliccando si fissa nel punto del cursore. Ogni componente ha il mnemonico e la descrizione. Facendo doppio click si possono modificare e/o nascondere. Le descrizioni conviene nasconderle, altrimenti si sovrappongono e creano confusione. I mnemonici invece conviene spostarli più vicino possibile al componente.

La situazione successiva dovrebbe essere circa così:

kicad_pcbnew_componenti_sparsi

Le linee bianche rappresentano le connessioni, chiamate Ratsnet, secondo la Netlist esportata dallo schema.
Se ci sono molti componenti, potrebbe essere comodo disattivarle, per farlo si può agire sul pulsante “attiva/disattiva ratsnet disegno” (kicad_pcb_pls_ratsnet). In ogni caso, quando si disegna una pista, la ratsnet delle connessioni al pin dal quale si sta tracciando la pista viene visualizzata.

Quindi adesso inizia la fase “creativa” ovvero bisogna disporre i componenti secondo le esigenze tecniche/estetiche migliori e disegnare le piste. Le lo schema non è complicato conviene disporre i componenti in modo che esteticamente abbiano un senso (gruppi di resistenze, gruppi di condensatori ecc..) e le morsettiere all’esterno:

kicad_pcbnew_componenti_ordinati

Per creare le piste, si può selezionare la larghezza della pista dal menu a tendina in alto e la dimensine dei via dal menu a fianco di quello delle piste:

kicad_pcb_larghezzapiste

Quindi per disegnarle si può premere il pulsante “Aggiungi tracce e via” a destra: kicad_pcb_aggiungi_tracce, oppure premere “X”.

Per terminare la pista premere “End”. Attenzione che se premete “ESC”, la pista viene annullata.
Con “Pag giu” e “Pag su” si cambia il layer. “Pag su” attiva il layer superiore (Front, indicato come F.Cu) e “pag giu” attiva il layer inferiore (Bottom, indicato come B.Cu). Se viene cambiato il layer senza nessuno strumento attivo, viene semplicemente cambiato il layer su cui si andrà a disegnare. Altrimenti, se si cambia il layer mentre si disegna una pista, viene inserito un Via, secondo la dimensione impostata. Quando si parte a disegnare una pista, viene visualizzata la ratsnet relativa a quel collegamento, e le piazzole interessate vengono evidenziate con un giallo più “acceso”.

I layer si possono selezionare anche dal menu a tendina in alto:

kicad_pcb_menulayer

Ce ne sono molti, i più importanti, che verranno utilizzati, sono:

F.Cu e B.CuRame lato Front e Bottom, ovvero le piste vere e proprie;
F.SilkS e B.SilkSSerigrafia lato Front e Bottom, ovvero le scritte e i disegni dei componenti;
F.Mask e B.MaskSoldermask lato Front e Bottom, ovvero le zone in cui NON verrà depositato il solder, ovvero il trattamento protettivo. La mascheratura del solder è necessaria sulle piazzole per permetterne la saldatura. Viene creato in automatico, ma si possono inserire particolari a mano ad esempio su alcune piste per permetterne la stagnatura.
Edge.Cuts – rappresenta il contorno del pcb, dove il produttore taglierà la piastra. Non è necessariamente rettangolare ma può avere forme diverse, l’importante è che sia uno solo e che delimiti la zona interna dove ci sono le piste da quella esterna in cui non c’è nulla.
Dwgs.User – in questo strato si possono inserire disegni e quotature che non influenzeranno in nessun modo la produzione.

Per aggiungere impronte NON a schema, per esempio fori di fissaggio, si può utilizzare il comando inserisci impronta, dal menu “inserisci”, cliccare su “impronta”, oppure premere “O”.
Con il doppio click sulle impronte si modificano i parametri, ovvero descrizione, nome, layer ecc..

Il risultato finale dovrebbe essere il seguente:

kicad_pcb_pisteok

Le scritte si possono aggiungere con l’apposito strumento “Inserisci etichette” come per gli schemi. La scritta “tecnovolt.it” a destra è realizzata con delle piste sottili.

Quindi ultimiamo il layout con i contorni del pcb, necessari per consentire al produttore di tagliare la piastra.

Per disegnarli, bisogna attivare il layer “Edge.Cuts”, dal menu a tendina in alto, e disegnare una linea continua all’esterno delle piste:

kicad_pcb_layoutfinito

Quindi come ulima cosa è bene effettuare il controllo automatico. Per fare ciò cliccare sul pulsante “Esegui controllo regole di progettazione”: kicad_pcb_controlloregole.
Si aprirà una finestra in cui si può avviare il controllo. Verrà controllata la coerenza di tutti i collegamento e le distanze di piste e vias. Se non ci sono messaggi si può continuare, altrimenti bisogna sistemare gli errori/warnings.

Quando il progetto è ultimato, si possono esportare i file Gerber per la produzione. Solitamente, anche nel caso di PcbWay, che è il servizio che utilizzo, sono necessari i seguenti file:

-Rame lato superiore;
-Rame lato inferiore;
-Soldermask superiore;
-Soldermask inferiore;
-Serigrafia superiore;
-Serigrafia inferiore;
-Foratura;
-Contorno.

Per avviare la procedura di esportazione, aprire il menu “File”, “Traccia”. Si aprirà la finestra di configurazione, in cui bisogna selezionare gli strati da esportare ed effettuare alcune impostazioni. L’immagine seguente rappresenta la corretta configurazione:

kicad_pcb_tracciatura

Cliccando sul pulsante “Traccia”, verranno creati i file gerber degli strati selezionati, che vengono salvati nella cartella del progetto.
Quindi per generare il file di foratura, cliccare su “Genera file di foratura”, che aprira la finestra di configurazione, e anche qui le impostazioni sono come nell’immagine seguente:

kicad_pcb_filefori

Cliccando sul puslante “File fori” si genera il file .drl che viene salvato anch’esso nella cartella del progetto.

Adesso si può chiudere Pcbnew.

I file Gerber si possono visualizzare in anteprima, per controllarli e/o per vedere se il lavoro è stato fatto bene (a volte può capitare di confondere i layer e disegnare dettagli in un layer errato).
Per visualizzarli, si usa GerbView, che si apre dalla finestra principale di KiCad: kicad_icona_gerberview
Da “File”>”Carica file Gerber” oppure “File>Carica file forature Excellon” si può caricare il file e visualizzarlo.

 

Per la produzione dei PCB, io mi affido a PcbWay.com, un servizio online che permette di effettuare l’upload dei file di produzione, e nel giro di una settimana al massimo, recapita a casa i pcb pronti. Il tutto a costi abbastanza contenuti.
Per produrli, bisogna registrarsi al sito, ed effettuare una quotazione, ovvero inserire i dati generali dei pcb (dimensioni, strati, quantità ecc..). Questo consente di ottenere il costo del PCB istantaneamente.
Dopodichè si può procedere all’upload dei file. I file devono essere rinominati secondo precise regole per consentire la corretta produzione dei pcb, ovvero, ipotizziamo che il progetto si chiama “TECNOVOLT”:

-tecnovolt.drl  –> tecnovolt.DRD;
-tecnovolt-B.Cu.gbr –> tecnovolt.GBL
-tecnovolt-F.Cu.gbr –> tecnovolt.GTL
-tecnovolt-B.Mask.gbr –> tecnovolt.GBS
-tecnovolt-F.Mask.gbr –> tecnovolt.GTS
-tecnovolt-B.SilkS.gbr –> tecnovolt.GBO
-tecnovolt-F.SilkS.gbr –> tecnovolt.GTO
-tecnovolt-Edge.Cuts.gbr –> tecnovolt.GKO

praticamente i file devono avere tutti lo stesso nome e l’estensione diversa (il personale di PcbWay evidentemente identifica i file con l’estensione). Quindi tutti i file devono essere compressi in un archivio zip. e caricati sul sito (durante la procedura guidata, dopo la quotazione, viene richiesto l’upload, quindi non si può sbagliare).

Dopo l’upload, il personale di PcbWay effettua un controllo del progetto per eliminare eventuali errori/incoerenze, dopo il quale si può procedere al pagamento, quindi inizia la produzione. La produzione impiega 2/3 giorni, e la spedizione veloce altri 2/3 giorni. Volendo si potrebbero avere PCB a bassissimo costo richiedendo la produzione più lenta e l’invio per posta, ma come tempi impiegano intorno ai 30 giorni.

Il servizio è eccezionale, e lo consiglio a chiunque voglia realizzare pcb professionali, anche perché volendo ci sono tutte le opzioni di personalizzazione, come il soldermask di colori diversi, la serigrafia bianca o nera, la rifinitura delle piazzola con eventuale doratura ecc…
Inoltre loro sono disponibili in chat (con risposta nel giro di pochi minuti) direttamente dal sito, per eventuali chiarimenti tecnici. Io ho chiesto come devono essere rinominati i file (perché non trovavo la tabella) e la risposta mi è arrivata nel giro di pochi minuti.

La qualità è veramente ottima, io ho realizzato 4 piccoli lotti di pcb (da 5 e 10 pezzi) e sono sempre stati velocissimi e precisi. Uno dei quattro lotti è stato ordinato al venerdì pomeriggio e al lunedì era stato spedito… Quando dico che sono veloci intendo questo 😀

Di seguito la realizzazione del PCB utilizzato come esempio:

pcb_pcbway_05

 

Particolare di un altro PCB realizzato, qui sono state disegnate delle linee nello strato del SolderMask che corrispondono alle piste di potenza. Il risultato è che le piste non vengono coperte dal Solder, e questo consente, in fase di montaggio, di stagnare le piste per aumentare considerevolmente la loro portata di corrente.

pcb_pcbway_04

 

Altro particolare di PCB, qui ho utilizzato la funzione “crea zona” di KiCad, che consente di creare un contorno e specificare dove deve essere collegato. Quindi in automatico lo riempie e intorno alle piazzole da collegare crea una “connessione termica” (ovvero la piazzola è collegata alla zona mediante alcune cortissime piste che consentono la saldatura senza troppa dissipazione di calore). Intorno alle piazzole che non sono connesse alla zona, ovviamente, viene creato un contorno di isolamento.

pcb_pcbway_03

 

Concludo qui, ringraziando PcbWay per l’ottimo servizio e il team di sviluppo di KiCad per l’ottimo software prodotto e i continui aggiornamenti. Consiglio entrambi se si vogliono realizzare PCB professionali a basso costo.

 

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