Рекомендации по проектированию сборок печатных плат для повышения технологичности

В сфере производства электроники, «Дизайн – это производство» больше не просто лозунг, но консенсус, подтвержденный многочисленными проектами массового производства.
На основе нашего участия в разработке множества продуктов бытовой электроники и промышленного контроля., Проектирование печатных плат для обеспечения технологичности (DFM) часто является ключевым фактором, определяющим, будет ли массовое производство идти гладко..

С инженерной точки зрения, Проекты печатных плат, в которых отсутствует систематическая проверка DFM, демонстрируют значительно более высокую вероятность дефектов размещения., переделка, или даже перепроектировать во время раннего массового производства. Согласно статистическому опыту нескольких контрактных производителей, конструкции без достаточной оптимизации DFM часто достигают производительности при первом запуске ниже 80%. В отличие, проекты, включающие стандарты IPC и проверку производственных возможностей на стадии проектирования, могут последовательно повышать производительность 95%–98% диапазон.

В этой статье объединены новейшие стандарты IPC, Требования к гибридному процессу SMT/THT, и общие проблемы, наблюдаемые в реальных проектах массового производства, связанные с систематической разборкой основных элементов сборки печатной платы DFM. Цель состоит в том, чтобы помочь инженерам минимизировать производственные риски на этапе проектирования и действительно достичь «Спроектируй один раз, наладить массовое производство».

Основные принципы проектирования DFM: Устранение 90% рисков массового производства заранее

1.1 Стандарты прежде всего: Следование новейшим спецификациям IPC

В основе проектирования DFM лежит соблюдение единых отраслевых стандартов, позволяющих избежать доработок, вызванных несоответствием проектных замыслов и производственных процессов..

• IPC-2581 Версия C
  Выпущено в 2020, этот новейший стандарт объединяет полное производство печатных плат, сборка, и тестовые данные в один XML-файл, включая информацию о стеке, контроль импеданса, и определения дифференциальных пар. Он заменяет традиционные фрагментированные файлы Gerber и повышает эффективность автоматизации анализа DFM примерно на 60%.

• МПК-2221
  Определяет фундаментальные параметры процесса, такие как ширина дорожки., интервал, и размер отверстия. Например, низковольтные цепи (≤50 В) требуют минимального расстояния ≥4 мил (0.1 мм), в то время как высоковольтные цепи (>50V.) необходимо рассчитать зазор по формуле:
  Клиренс = 0.6 + 500 × Впик (мм).

• МПК-7351
  Стандартизирует расположение контактных площадок и конструкцию контактных площадок для обеспечения точности размещения и надежности паяных соединений..

1.2 Баланс между стоимостью и технологичностью

• Приоритет следует отдавать стандартным компонентам. (такой как 0402/0603 резисторы и конденсаторы), избегая нишевых или индивидуальных деталей. Изготовленные по индивидуальному заказу компоненты не только требуют более длительного времени на закупку (обычно >4 недели) но может также увеличить затраты на сборку более чем 30%.

• Упростите структуру печатной платы за счет минимизации использования специальных процессов, таких как глухие/скрытые переходные отверстия и ступенчатые пазы.. Для обычных плат HDI, сочетание лазерное бурение + механическое бурение может эффективно снизить производственные затраты.

2. Разводка печатной платы DFM: Ключевые оптимизации от прототипа до массового производства

2.1 Проектирование расположения и ориентации компонентов

Неправильная компоновка является основной причиной отклонений при размещении SMT и перемычек припоя., и следует строго соблюдать следующие правила:

Рекомендации по расположению компонентов:

• Расстояние между идентичными компонентами ≥3–4 мил (стандартный процесс) или ≥2 мил (высокоточный HDI), во избежание столкновений с перехватывающими насадками;

• Расстояние между нерегулярными компонентами (такие как разъемы и радиаторы) и окружающие компоненты ≥1 мм, обеспечение достаточного доступа к инструменту во время сборки;

• Следуйте «правилу 3W»: расстояние между высокоскоростными сигналами ≥3× ширина трассы; расстояние между дифференциальными парами ≈ ширина трассы; расстояние между дифференциальными парами ≥3 Вт для уменьшения перекрестных помех.

Согласованность ориентации:

• Поляризованные компоненты (конденсаторы, диоды) должны иметь одинаковую ориентацию, чтобы избежать путаницы полярности при ручной пайке;

• Ориентация выводов микросхемы должна совпадать с направлением устройства подачи, чтобы уменьшить необходимость регулировки сопла и повысить эффективность размещения..

2.2 Методы компоновки для гибридных процессов (Пост + Это)

Если на печатной плате предусмотрены как разъемы для поверхностного монтажа, так и (Пост) и сквозное отверстие (Это) компоненты, необходимо учитывать совместимость между двумя процессами:

• Компоненты THT должны быть сгруппированы вблизи краев печатной платы или в специально отведенных местах, чтобы избежать блокирования площадок SMT и возникновения «эффекта тени» при пайке волной.;

• Расстояние между выводами сквозных отверстий и компонентами SMT должно быть ≥2 мм, чтобы предотвратить повреждение уже припаянных соединений SMT во время вставки.;

• Для смешанного оплавления + процессы пайки волной, Компоненты THT должны использовать пакеты, совместимые с волновой пайкой для предотвращения окисления свинца, вызванного высокими температурами.

2.3 Проект тепловой и механической защиты

• Мощные компоненты (такие как преобразователи постоянного тока и драйверы светодиодов) следует размещать вблизи краев печатной платы или в местах с термической медью.. Площадь меди должна быть не менее 2× площадь упаковки компонентов, и тепловые сквозные массивы могут потребоваться (по диаметру 0.3 мм, подача 1 мм);

• В условиях вибрации (Автомобиль, промышленное оборудование), критические компоненты (такие как процессоры и модули питания) предпочтительно использовать пакеты THT, чьи паяные соединения предлагают вибростойкость более чем в 5 раз выше чем SMT;

• Зарезервируйте зону без меди размером ≥0,025 дюйма. (0.635 мм) вдоль краев печатной платы для предотвращения растрескивания при депанелизации.

3. Подушечка и отверстие DFM: Основная гарантия надежности пайки

3.1 Технические характеристики конструкции колодки

Отклонения в размерах контактных площадок являются основной причиной возникновения холодных паяных соединений и образования надгробий., и должен точно соответствовать пакетам компонентов:

• Контактные площадки компонентов SMT:
  Длина = длина вывода + 0.2 мм;
  Ширина = ширина вывода ±0,1 мм..
  Например, а 0603 резистор (1.6 мм × 0.8 мм) соответствует размеру колодки 1.8 мм × 0.7 мм.

• Контактные площадки QFP/BGA:
  Диаметр площадки BGA = диаметр шарика × 0,6–0,7;
  Расстояние между соседними колодками ≥ диаметр шарика × 1.2 чтобы предотвратить перемычку.

• Конструкция термопрокладки:
  Для мощных компонентов (НАПРИМЕР., QFN-пакеты), открытая термопрокладка должна иметь отверстия паяльной маски и включать 4–6 тепловых переходов. (0.3 диаметр мм) для предотвращения накопления тепла и холодной пайки соединений.

3.2 Сверление и расчет размеров отверстий

Правила бурения:

• Соотношение сторон (глубина отверстия / диаметр отверстия) ≤6:1 для стандартных процессов и ≤10:1 для процессов ИЧР; превышение этого значения требует ступенчатых отверстий или обратного сверления.;

• Через диаметр ≥0,3 мм; Диаметр выводного отверстия компонента = диаметр выводного отверстия + 0.1–0,2 мм для обеспечения плавного введения.;

• Избегайте отверстий на краях: центр сверления должен находиться на расстоянии ≥1 мм от края печатной платы, чтобы предотвратить растрескивание платы..

4. Маршрутизация и контроль импеданса: Балансировка целостности сигнала и технологичности

4.1 Согласование ширины трассы с текущей пропускной способностью

Ширина трассы должна удовлетворять как текущей мощности, так и ограничениям процесса.:

• Рассчитано по МПК-2152:
  Я = k · ΔT^0,44 · A^0,725
  (к = 0.048 для внешних слоев, к = 0.024 для внутренних слоев).
  Например, с 1 унция меди и повышение температуры на 10°C., а 50 след в милях может нести примерно 2.5 А.

• В сетях питания и заземления предпочтительно использовать медные заливки вместо тонких дорожек., с толщиной меди ≥2 унций для уменьшения сопротивления заземления и термического напряжения;

• Минимальная ширина трассы: ≥3–4 мил для стандартных процессов и ≥2 мил для процессов HDI, чтобы избежать остатков травления и коротких замыканий..

4.2 Высокоскоростная маршрутизация сигналов DFM

• Контроль импеданса:
  Для 50 Ом несимметричная дорожка на FR-4, ширина микрополоски внешнего слоя ≈8 мил (ч = 5 мил), ширина полосковой линии внутреннего слоя ≈5 мил (ч = 4 мил);

• Дифференциальная парная маршрутизация:
  Несоответствие длины ≤5 мил; избегать разрывов импеданса и пересечений между парами;

• Избегайте трассировки под прямым углом:
  Используйте изгибы или дуги под углом 45°. (радиус ≥3× ширина трассы) для уменьшения отражения сигнала.