Directrices de diseño de ensamblajes de PCB para una mejor capacidad de fabricación

En la industria de fabricación de electrónica., “diseñar es fabricar” ya no es sólo un eslogan, pero un consenso validado a través de numerosos proyectos de producción en masa.
Basado en nuestra participación en múltiples productos de electrónica de consumo y control industrial., Diseño de PCB para fabricabilidad (DFM) Es a menudo el factor clave que determina si la producción en masa se desarrolla sin problemas..

Desde una perspectiva de ingeniería, Los diseños de PCB que carecen de verificación DFM sistemática muestran una probabilidad significativamente mayor de defectos de colocación, rehacer, o incluso rediseñar durante la producción en masa temprana. Según la experiencia estadística de múltiples fabricantes contratados, Los diseños sin suficiente optimización DFM a menudo logran un rendimiento de producción en la primera ejecución de abajo 80%. En contraste, Los proyectos que incorporan estándares IPC y verificaciones de capacidad de fabricación en la etapa de diseño pueden mejorar consistentemente los rendimientos para el 95%–98% rango.

Este artículo combina la últimos estándares IPC, Requisitos del proceso híbrido SMT/THT, y problemas comunes observados en proyectos reales de producción en masa para descomponer sistemáticamente los elementos centrales del ensamblaje de PCB DFM. El objetivo es ayudar a los ingenieros a minimizar los riesgos de fabricación durante la fase de diseño y lograr realmente “diseñar una vez, producir en masa sin problemas”.

Principios básicos del diseño DFM: Eliminando 90% de los riesgos de la producción en masa por adelantado

1.1 Estándares primero: Mantenerse al día con las últimas especificaciones de IPC

La base del diseño DFM radica en seguir estándares industriales unificados para evitar el retrabajo causado por la desalineación entre la intención del diseño y los procesos de fabricación..

• IPC-2581 Revisión C
  Lanzado en 2020, este último estándar integra la fabricación completa de PCB, asamblea, y probar datos en un único archivo XML, incluyendo información acumulada, control de impedancia, y definiciones de pares diferenciales. Reemplaza los archivos Gerber fragmentados tradicionales y mejora la eficiencia de la automatización del análisis DFM en aproximadamente 60%.

• IPC-2221
  Define parámetros fundamentales del proceso, como el ancho de la traza., espaciado, y tamaño del agujero. Por ejemplo, circuitos de bajo voltaje (≤50V) requieren un espacio mínimo de ≥4 mil (0.1 mm), mientras que los circuitos de alto voltaje (>50V) debe calcular el espacio libre usando la fórmula:
  Liquidación = 0.6 + 500 × Vpico (mm).

• IPC-7351
  Estandariza el patrón de conexión de los componentes y el diseño de la almohadilla para garantizar la precisión de la colocación y la confiabilidad de las uniones soldadas..

1.2 Equilibrio entre costo y capacidad de fabricación

• Se debe dar prioridad a los componentes estándar. (como 0402/0603 resistencias y condensadores), evitando piezas específicas o personalizadas. Los componentes personalizados no sólo tienen plazos de adquisición más largos (típicamente >4 semanas) pero también puede aumentar los costos de montaje en más de 30%.

• Simplifique las estructuras de PCB minimizando el uso de procesos especiales como vías ciegas/enterradas y ranuras escalonadas.. Para placas HDI convencionales, una combinación de perforación láser + perforación mecánica puede reducir efectivamente los costos de fabricación.

2. Diseño de PCB DFM: Optimizaciones clave desde el prototipo hasta la producción en masa

2.1 Diseño de orientación y espaciado de componentes

El diseño inadecuado es la causa principal de la desviación de la ubicación del SMT y de los puentes de soldadura., y las siguientes reglas deben observarse estrictamente:

Pautas de espaciado de componentes:

• Espaciado entre componentes idénticos ≥3–4 mil (proceso estándar) o ≥2 mil (HDI de alta precisión), para evitar colisiones con boquillas pick-and-place;

• Espaciado entre componentes irregulares (como conectores y disipadores de calor) y componentes circundantes ≥1 mm, Permitir suficiente acceso a las herramientas durante el montaje.;

• Sigue la “regla de las 3W”: espaciado de señal de alta velocidad ≥3× ancho de traza; espaciado diferencial de pares ≈ ancho de traza; espaciado entre pares diferenciales ≥3W para reducir la diafonía.

Consistencia de orientación:

• Componentes polarizados (condensadores, diodos) Debe tener una orientación uniforme para evitar confusión de polaridad durante la soldadura manual.;

• La orientación del pin del IC debe alinearse con la dirección del alimentador de recogida y colocación para reducir los ajustes de las boquillas y mejorar la eficiencia de la colocación..

2.2 Técnicas de diseño para procesos híbridos (Smt + Tht)

Cuando una PCB incluye montaje en superficie (Smt) y agujero pasante (Tht) componentes, Se debe considerar la compatibilidad entre los dos procesos.:

• Los componentes THT deben agruparse cerca de los bordes de la PCB o en áreas designadas para evitar bloquear las almohadillas SMT y causar "efectos de sombra" de soldadura por ola.;

• El espacio entre los pasadores de orificio pasante y los componentes SMT debe ser ≥2 mm para evitar daños a las uniones SMT ya soldadas durante la inserción.;

• Para reflujo mixto + procesos de soldadura por ola, Los componentes THT deben utilizar paquetes compatibles con soldadura por ola Para prevenir la oxidación del plomo causada por las altas temperaturas..

2.3 Diseño de protección térmica y mecánica.

• Componentes de alta potencia (como convertidores DC-DC y controladores LED) debe colocarse cerca de los bordes de la PCB o áreas de cobre térmico. El área de cobre debe ser al menos 2× el área del paquete de componentes, y es posible que se requieran matrices de vía térmica (vía diámetro 0.3 mm, paso 1 mm);

• En ambientes de vibración (automotor, equipos industriales), componentes críticos (como CPU y módulos de potencia) debería utilizar preferiblemente paquetes THT, cuyas uniones de soldadura ofrecen Más de 5 veces mayor resistencia a las vibraciones. que SMT;

• Reserve un área libre de cobre ≥0,025 pulgadas (0.635 mm) a lo largo de los bordes de la PCB para evitar grietas durante la despanelización.

3. Almohadilla y orificio DFM: La garantía principal de confiabilidad de la soldadura

3.1 Especificaciones de diseño de almohadillas

Las desviaciones en las dimensiones de las almohadillas son una de las principales causas de uniones soldadas en frío y desintegraciones, y debe coincidir estrechamente con los paquetes de componentes:

• Almohadillas de componentes SMT:
  Longitud = longitud del cable + 0.2 mm;
  Ancho = ancho del cable ±0,1 mm.
  Por ejemplo, a 0603 resistor (1.6 milímetros × 0.8 mm) corresponde a un tamaño de almohadilla de 1.8 milímetros × 0.7 mm.

• Almohadillas QFP/BGA:
  Diámetro de la almohadilla BGA = diámetro de la bola × 0,6–0,7;
  Espaciado entre almohadillas adyacentes ≥ diámetro de la bola × 1.2 para evitar puentes.

• Diseño de almohadilla térmica:
  Para componentes de alta potencia (P.EJ., Paquetes QFN), la almohadilla térmica expuesta debe utilizar aberturas para máscara de soldadura e incluir de 4 a 6 vías térmicas (0.3 mm de diámetro) para evitar la acumulación de calor y juntas de soldadura frías.

3.2 Diseño de perforación y tamaño de orificio

Reglas de perforación:

• relación de aspecto (profundidad del agujero / diámetro del agujero) ≤6:1 para procesos estándar y ≤10:1 para procesos HDI; exceder esto requiere agujeros escalonados o perforación trasera;

• A través de diámetro ≥0,3 mm; diámetro del orificio del componente = diámetro del orificio + 0.1–0,2 mm para garantizar una inserción suave;

• Evite los agujeros en los bordes: El centro de perforación debe estar a ≥1 mm del borde de la PCB para evitar que la placa se agriete..

4. Control de enrutamiento y impedancia: Equilibrio de la integridad de la señal y la capacidad de fabricación

4.1 Hacer coincidir el ancho de la traza con la capacidad de carga actual

El ancho de la traza debe satisfacer tanto la capacidad actual como los límites del proceso.:

• Calculado según IPC-2152:
  Yo = k · ΔT^0,44 · A^0,725
  (k = 0.048 para capas exteriores, k = 0.024 para capas internas).
  Por ejemplo, con 1 oz de cobre y un aumento de temperatura de 10°C, a 50 El rastro de mil puede transportar aproximadamente 2.5 A.

• Las redes eléctricas y de tierra deben utilizar preferentemente vertidos de cobre en lugar de trazas finas., con espesor de cobre ≥2 oz para reducir la impedancia del suelo y el estrés térmico;

• Ancho mínimo de traza: ≥3–4 mil para procesos estándar y ≥2 mil para procesos HDI para evitar residuos de grabado y cortocircuitos.

4.2 Enrutamiento de señal de alta velocidad DFM

• control de impedancia:
  por un 50 Ω traza de un solo extremo en FR-4, ancho de microtira de la capa exterior ≈8 mil (h = 5 mil), ancho de la línea de la capa interna ≈5 mil (h = 4 mil);

• Enrutamiento de par diferencial:
  Desajuste de longitud ≤5 mil; evitar discontinuidades de impedancia y mediante cruces entre pares;

• Evite el enrutamiento en ángulo recto:
  Utilice curvas o arcos de 45° (radio ≥3× ancho de traza) para reducir la reflexión de la señal.