Jakie kwestie związane z produkcją należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu płytek PCB

1. Przedmowa dotycząca projektu PCB

Wraz ze wzrostem konkurencji na rynku produktów komunikacyjnych i elektronicznych cykl życia produktów ulega skróceniu. Udoskonalanie oryginalnych produktów i szybkość wydawania nowych produktów odgrywają coraz ważniejszą rolę w przetrwaniu i rozwoju przedsiębiorstwa. W ogniwie produkcyjnym, jak uzyskać nowe produkty o wyższej możliwości produkcyjnej i jakości produkcji przy krótszym czasie wprowadzenia do produkcji, staje się coraz bardziej konkurencyjnym dążeniem ludzi z wizją.

W produkcji produktów elektronicznych, wraz z miniaturyzacją i złożonością produktów, gęstość montażu płytek drukowanych staje się coraz większa. W związku z tym nowa generacja procesu montażu SMT, która jest szeroko stosowana, wymaga od projektantów uwzględnienia możliwości produkcyjnych już na samym początku. Gdy słaba wykonalność jest spowodowana złym uwzględnieniem projektu, należy zmodyfikować projekt, co nieuchronnie wydłuży czas wprowadzenia produktu i zwiększy koszt wprowadzenia. Nawet jeśli układ PCB zostanie nieznacznie zmieniony, koszt ponownego wykonania płytki drukowanej i płytki sitowej do drukowania pasty lutowniczej SMT sięga tysięcy, a nawet dziesiątek tysięcy juanów, a obwód analogowy wymaga nawet ponownego debugowania. Opóźnienie terminu importu może spowodować, że przedsiębiorstwo straci szansę na rynku i znajdzie się w bardzo niekorzystnej pozycji strategicznej. Jeśli jednak produkt zostanie wyprodukowany bez modyfikacji, nieuchronnie będzie miał wady produkcyjne lub zwiększy koszty produkcji, co będzie droższe. Dlatego też, gdy przedsiębiorstwa projektują nowe produkty, im wcześniej rozważona zostanie wykonalność projektu, tym bardziej sprzyja skutecznemu wprowadzaniu nowych produktów.

2. Treści, które należy uwzględnić przy projektowaniu PCB

Możliwości produkcyjne projektów PCB dzielą się na dwie kategorie: jedna to technologia przetwarzania płytek drukowanych; Drugi dotyczy obwodu i struktury komponentów i płytek drukowanych procesu montażu. W zakresie technologii przetwarzania płytek drukowanych generalni producenci PCB, ze względu na wpływ swoich możliwości produkcyjnych, stawiają projektantom bardzo szczegółowe wymagania, co jest stosunkowo dobre w praktyce. Jednak w rozumieniu autora rzeczywistością, której w praktyce nie poświęcono wystarczającej uwagi, jest drugi typ, a mianowicie projektowanie wykonalności zespołów elektronicznych. Celem tego artykułu jest również opisanie kwestii związanych z wykonalnością produkcyjną, które projektanci muszą wziąć pod uwagę na etapie projektowania PCB.

Projekt wykonalności zespołu elektronicznego wymaga od projektantów PCB uwzględnienia następujących kwestii na początku projektowania PCB:

2.1 Właściwy dobór sposobu montażu i rozmieszczenia podzespołów w projekcie PCB

Wybór sposobu montażu i rozmieszczenia komponentów jest bardzo ważnym aspektem możliwości produkcyjnej PCB, który ma ogromny wpływ na wydajność montażu, koszt i jakość produktu. Tak naprawdę autor miał styczność z całkiem dużą ilością PCB, a nadal brakuje uwzględnienia niektórych bardzo podstawowych zasad.

(1) Wybierz odpowiednią metodę montażu

Ogólnie rzecz biorąc, w zależności od różnej gęstości montażu PCB, zalecane są następujące metody montażu:

Jako inżynier projektujący obwody powinienem poprawnie rozumieć proces montażu płytki drukowanej, aby w zasadzie uniknąć błędów. Wybierając tryb montażu, oprócz uwzględnienia gęstości montażu PCB i trudności w okablowaniu, należy wziąć pod uwagę typowy przebieg procesu tego trybu montażu oraz poziom wyposażenia procesowego samego przedsiębiorstwa. Jeżeli przedsiębiorstwo nie posiada dobrego procesu spawania falowego, to wybranie piątej metody montażu z powyższej tabeli może sprawić wiele kłopotów. Warto również zaznaczyć, że jeśli planowany jest proces lutowania na fali dla powierzchni spawania, należy unikać komplikowania procesu poprzez nałożenie kilku SMDS na powierzchnię spawania.

(2) Układ komponentów

Układ komponentów PCB ma bardzo istotny wpływ na wydajność i koszty produkcji oraz jest ważnym wskaźnikiem mierzącym możliwości podłączenia projektu PCB. Ogólnie rzecz biorąc, komponenty są rozmieszczone tak równomiernie, regularnie i starannie, jak to możliwe, oraz ułożone w tym samym kierunku i rozkładzie polaryzacji. Regularny układ jest wygodny do kontroli i sprzyja poprawie szybkości łatania/wtyczek, równomierny rozkład sprzyja odprowadzaniu ciepła i optymalizacji procesu spawania. Z drugiej strony, aby uprościć proces, projektanci PCB powinni zawsze mieć świadomość, że po obu stronach PCB można zastosować tylko jeden proces spawania grupowego, czyli zgrzewanie rozpływowe i zgrzewanie falowe. Jest to szczególnie godne uwagi ze względu na gęstość montażu, powierzchnia spawania PCB musi być rozłożona na więcej elementów krosowych. Projektant powinien rozważyć, jaką grupę procesu spawania zastosować dla elementów montowanych na powierzchni spoiny. Korzystnie, można zastosować proces lutowania na fali po utwardzeniu patchowym, aby jednocześnie zespawać kołki perforowanych elementów na powierzchni elementu konstrukcyjnego. Jednakże elementy łaty do spawania falowego mają stosunkowo surowe ograniczenia, tylko odporność na wióry o rozmiarze 0603 i większym, spawanie SOT, SOIC (odstęp między kołkami ≥1 mm i wysokość mniejsza niż 2,0 mm). W przypadku elementów rozmieszczonych na powierzchni spawania kierunek kołków powinien być prostopadły do ​​kierunku przenoszenia płytki PCB podczas zgrzewania grzbietu fali, aby zapewnić jednoczesne zanurzenie końcówek spawalniczych lub przewodów po obu stronach elementów w procesie spawania. Kolejność rozmieszczenia i odstępy pomiędzy sąsiednimi elementami powinny również spełniać wymagania spawania grzbietem fali, aby uniknąć „efektu ekranowania”, jak pokazano na FIG. 1. W przypadku lutowania na fali SOIC i innych elementów wielopinowych należy je ustawić w kierunku przepływu cyny na dwóch (po 1) nóżkach lutowniczych, aby zapobiec ciągłemu spawaniu.

Elementy podobnego typu powinny być ułożone w tym samym kierunku na płycie, co ułatwi montaż, kontrolę i spawanie elementów. Na przykład umieszczenie ujemnych zacisków wszystkich kondensatorów promieniowych skierowanych w prawą stronę płytki, ustawienie wszystkich wycięć DIP w tym samym kierunku itp. może przyspieszyć oprzyrządowanie i ułatwić wyszukiwanie błędów. Jak pokazano na rysunku 2, ponieważ płytka A wykorzystuje tę metodę, znalezienie kondensatora zwrotnego jest łatwe, podczas gdy na płytce B znalezienie go zajmuje więcej czasu. W rzeczywistości firma może ujednolicić orientację wszystkich produkowanych przez siebie elementów płytek drukowanych. Niektóre układy plansz niekoniecznie na to pozwalają, ale powinno to wymagać wysiłku.

Jakie kwestie związane z wykonalnością należy uwzględnić przy projektowaniu PCB

Ponadto podobne typy komponentów powinny być uziemione razem, tak jak to możliwe, ze wszystkimi nóżkami komponentów skierowanymi w tym samym kierunku, jak pokazano na rysunku 3.

Jednak autor rzeczywiście spotkał się z dużą liczbą płytek PCB, w których gęstość montażu jest zbyt duża, a powierzchnia spawania płytki PCB musi być również rozłożona na duże elementy, takie jak kondensator tantalowy i indukcyjność łaty, a także cienkie odstępy SOIC i TSOP. W takim przypadku możliwe jest jedynie zastosowanie dwustronnie zadrukowanej łatki pasty lutowniczej do spawania z przepływem wstecznym, a elementy wtykowe powinny być możliwie skoncentrowane w rozkładzie elementów, aby dostosować się do spawania ręcznego. Inną możliwością jest rozmieszczenie perforowanych elementów na powierzchni elementu możliwie jak najdalej w kilku głównych liniach prostych, aby uwzględnić proces selektywnego lutowania na fali, co pozwala uniknąć spawania ręcznego, poprawia wydajność i zapewnia jakość spawania. Dyskretne rozmieszczenie połączeń lutowanych jest głównym tematem tabu w lutowaniu selektywnym na fali, które zwielokrotnia czas przetwarzania.

Dostosowując położenie komponentów w pliku płytki drukowanej, należy zwrócić uwagę na zgodność jeden do jednego pomiędzy komponentami i symbolami sitodruku. Jeśli komponenty zostaną przeniesione bez odpowiedniego przesunięcia symboli sitodruku obok komponentów, stanie się to poważnym zagrożeniem dla jakości w produkcji, ponieważ w rzeczywistej produkcji symbole sitodruku są językiem branżowym, który może kierować produkcją.

2.2 Płytka drukowana musi być wyposażona w krawędzie zaciskowe, znaczniki pozycjonujące i otwory pozycjonujące proces niezbędne do produkcji automatycznej.

Obecnie montaż elektroniki jest jedną z gałęzi przemysłu o pewnym stopniu automatyzacji, sprzęt automatyki używany w produkcji wymaga automatycznej transmisji PCB, tak aby kierunek transmisji PCB (zazwyczaj w kierunku dłuższego boku), górny i dolny miały krawędź zaciskową o szerokości nie mniejszej niż 3-5 mm, aby ułatwić automatyczną skrzynię biegów, należy unikać zbliżania się do krawędzi płytki ze względu na to, że zacisk nie może automatycznie zamontować.

Rola znaczników pozycjonujących polega na tym, że PCB musi zapewniać co najmniej dwa lub trzy znaczniki pozycjonujące dla systemu identyfikacji optycznej, aby dokładnie zlokalizować PCB i skorygować błędy obróbki PCB dla sprzętu montażowego, który jest szeroko stosowany w pozycjonowaniu optycznym. Spośród powszechnie stosowanych znaczników pozycjonujących dwa muszą być rozmieszczone po przekątnej płytki drukowanej. Do wyboru znaków pozycjonujących zazwyczaj używa się standardowej grafiki, takiej jak solidna okrągła podkładka. Aby ułatwić identyfikację, wokół znaków powinna znajdować się pusta przestrzeń bez innych elementów obwodu lub znaków, której wielkość nie powinna być mniejsza niż średnica znaków (jak pokazano na rysunku 4), a odległość znaków od krawędzi płytki powinna być większa niż 5 mm.

Podczas samej produkcji płytek PCB, a także w procesie montażu półautomatycznych wtyczek, testowaniu ICT i innych procesach, PCB musi zapewniać dwa do trzech otworów pozycjonujących w rogach.

2.3 Racjonalne wykorzystanie paneli w celu poprawy wydajności i elastyczności produkcji

Podczas montażu płytek PCB o małych rozmiarach lub nieregularnych kształtach będzie ona podlegać wielu ograniczeniom, dlatego ogólnie przyjmuje się montaż kilku małych płytek PCB w płytkę PCB o odpowiednim rozmiarze, jak pokazano na rysunku 5. Ogólnie rzecz biorąc, można uznać, że płytka PCB o rozmiarze pojedynczego boku mniejszym niż 150 mm przyjmuje metodę łączenia. Dwa, trzy, cztery itd. Rozmiar dużej płytki drukowanej można połączyć w odpowiedni zakres przetwarzania. Ogólnie rzecz biorąc, płytka PCB o szerokości 150 mm ~ 250 mm i długości 250 mm ~ 350 mm jest bardziej odpowiednim rozmiarem w montażu automatycznym.

Innym sposobem płytki jest ułożenie PCB z SMD po obu stronach pozytywnej i negatywnej pisowni w dużą tablicę, taka tablica jest powszechnie znana jako Yin i Yang, ogólnie w celu rozważenia oszczędności na kosztach płyty ekranowej, to znaczy, że za pomocą takiej płytki pierwotnie potrzebne były dwie strony planszy ekranowej, teraz wystarczy tylko otworzyć tablicę ekranową. Ponadto, gdy technicy przygotowują działający program maszyny SMT, wydajność programowania PCB Yin i Yang jest również wyższa.

Kiedy płytka jest podzielona, ​​połączenie między płytkami pomocniczymi może być wykonane z podwójnych rowków w kształcie litery V, długich otworów szczelinowych i okrągłych otworów itp., ale projekt należy rozważyć w miarę możliwości, aby linia separacji była w linii prostej, aby ułatwić układanie płytki, ale należy również wziąć pod uwagę, że strona separacji nie może znajdować się zbyt blisko linii PCB, aby płytka PCB była łatwa do uszkodzenia podczas płytki.

Istnieje również bardzo ekonomiczna płytka i nie odnosi się ona do płytki PCB, ale do siatki płytki graficznej typu grid. Dzięki zastosowaniu automatycznej prasy drukarskiej pasty lutowniczej, obecnie bardziej zaawansowana prasa drukarska (taka jak DEK265) umożliwiła uzyskanie rozmiaru stalowej siatki o wymiarach 790 × 790 mm, utworzenie wielostronnego wzoru siatki PCB, może uzyskać kawałek stalowej siatki do drukowania wielu produktów, jest praktyką bardzo oszczędzającą koszty, szczególnie odpowiednią dla cech produktów małych partii i różnorodności producentów.

2.4 Rozważania dotyczące projektu testowalności

Projekt testowalności SMT dotyczy głównie bieżącej sytuacji sprzętu ICT. W projektach SMB obwodów i płytek PCB do montażu powierzchniowego uwzględnia się kwestie testowania w produkcji poprodukcyjnej. Aby ulepszyć projekt testowalności, należy wziąć pod uwagę dwa wymagania dotyczące projektu procesu i projektu elektrycznego.

2.4.1 Wymagania projektowania procesów

Dokładność pozycjonowania, procedura wytwarzania podłoża, rozmiar podłoża i typ sondy to czynniki wpływające na niezawodność sondy.

(1) otwór pozycjonujący. Błąd pozycjonowania otworów w podłożu powinien mieścić się w granicach ±0,05mm. Ustaw co najmniej dwa otwory pozycjonujące tak daleko od siebie, jak to możliwe. Zastosowanie niemetalowych otworów pozycjonujących w celu zmniejszenia grubości powłoki lutowniczej nie może spełnić wymagań tolerancji. Jeśli podłoże jest produkowane w całości, a następnie testowane osobno, otwory pozycjonujące muszą znajdować się na płycie głównej i na każdym podłożu z osobna.

(2) Średnica punktu testowego jest nie mniejsza niż 0,4 mm, a odstęp między sąsiednimi punktami testowymi jest większy niż 2,54 mm i nie mniejszy niż 1,27 mm.

(3) Na powierzchni testowej nie należy umieszczać elementów o wysokości większej niż *mm, co spowoduje słaby kontakt pomiędzy sondą urządzenia testowego online a punktem testowym.

(4) Umieść punkt testowy w odległości 1,0 mm od elementu, aby uniknąć uszkodzeń spowodowanych uderzeniami pomiędzy sondą a elementem. W promieniu 3,2 mm od pierścienia otworu pozycjonującego nie powinny znajdować się żadne elementy ani punkty testowe.

(5) Punktu testowego nie należy ustawiać w odległości mniejszej niż 5 mm od krawędzi PCB, która służy do zapewnienia mocowania. Ta sama krawędź procesu jest zwykle wymagana w sprzęcie do produkcji taśm przenośnikowych i sprzęcie SMT.

(6) Wszystkie punkty wykrywania powinny być wykonane z materiałów ocynowanych lub przewodzących metal o miękkiej teksturze, łatwej penetracji i braku utleniania, tak aby zapewnić niezawodny kontakt i przedłużyć żywotność sondy.

(7) punkt testowy nie może być pokryty rezystancją lutowania ani tuszem tekstowym, w przeciwnym razie zmniejszy to powierzchnię styku punktu testowego i zmniejszy niezawodność testu.

2.4.2 Wymagania dotyczące projektu elektrycznego

(1) Punkt testowy SMC/SMD powierzchni elementu powinien być poprowadzony do powierzchni spawania przez otwór tak daleko, jak to możliwe, a średnica otworu powinna być większa niż 1 mm. W ten sposób jednostronne łóżka igłowe można wykorzystać do testów online, zmniejszając w ten sposób koszty testów online.

(2) Każdy węzeł elektryczny musi mieć punkt testowy, a każdy układ scalony musi mieć punkt testowy ZASILANIA i UZIEMIENIA, jak najbliżej tego elementu, w zakresie 2,54 mm od układu scalonego.

(3) Szerokość punktu testowego można zwiększyć do 40 mil, jeśli zostanie on ustawiony na trasie obwodu.

(4) Równomiernie rozprowadź punkty testowe na płytce drukowanej. Jeśli sonda jest skoncentrowana w określonym obszarze, wyższe ciśnienie odkształci badaną płytkę lub łoże igły, co dodatkowo uniemożliwi dotarcie części sondy do punktu testowego.

(5) Linię zasilającą na płytce drukowanej należy podzielić na obszary, aby ustawić punkt przerwania testu, tak aby w przypadku wystąpienia zwarcia kondensatora odsprzęgającego moc lub innych elementów na płytce drukowanej z zasilaczem można było szybciej i dokładniej znaleźć punkt uszkodzenia. Projektując punkty przerwania, należy wziąć pod uwagę zdolność przenoszenia mocy po wznowieniu testowego punktu przerwania.

Rysunek 6 przedstawia przykładowy projekt punktu testowego. Podkładkę testową umieszcza się w pobliżu przewodu elementu za pomocą przedłużacza lub węzeł testowy wykorzystuje się za pomocą podkładki perforowanej. Surowo zabrania się wybierania węzła testowego na złączu lutowanym elementu. Test ten może sprawić, że pozorne złącze spawane zostanie wyciśnięte do idealnej pozycji pod naciskiem sondy, dzięki czemu pozorna wada spawalnicza zostanie zakryta i wystąpi tzw. „efekt maskowania wady”. Sonda może oddziaływać bezpośrednio na punkt końcowy lub sworzeń elementu z powodu odchylenia sondy spowodowanego błędem pozycjonowania, co może spowodować uszkodzenie elementu.

Jakie kwestie związane z wykonalnością należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu PCB?

3. Uwagi końcowe dotyczące projektowania PCB

Powyższe to niektóre z głównych zasad, które należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu PCB. W projekcie produkcyjnym PCB zorientowanym na montaż elektroniczny istnieje sporo szczegółów, takich jak rozsądne rozmieszczenie pasującej przestrzeni z częściami konstrukcyjnymi, rozsądne rozmieszczenie grafiki i tekstu wykonanego metodą sitodruku, odpowiednie rozmieszczenie ciężkich lub dużych urządzeń grzewczych. Na etapie projektowania PCB konieczne jest ustawienie punktu testowego i przestrzeni testowej w odpowiednim położeniu oraz uwzględnienie interferencji pomiędzy matrycą a pobliskimi rozproszonymi komponentami podczas instalowania złączy w procesie nitowania ciągnącego i wciskowego. Projektant płytek PCB bierze pod uwagę nie tylko sposób uzyskania dobrych parametrów elektrycznych i pięknego układu, ale także równie ważny punkt, jakim jest wykonalność w projektowaniu płytek PCB, aby osiągnąć wysoką jakość, wysoką wydajność i niski koszt.