Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa Инструменты

PayOnline-01-ФА, Казначей-ФА, PayVKР80К-ФА and Integrated Solutions for Car Washes, Turnkey in St. Petersburg. +78127155292

Содержание
  1. Воздействие технологических процессов
  2. Характеристики паяльной пасты
  3. Выводы
  4. Нарушение технологии пайки
  5. Ошибки при нанесении пасты
  6. Размещение компонентов со смещением
  7. Неверно подобранный режим нагрева
  8. Влияние припоя
  9. Паяльная паста ОПР-1МТ
  10. Характеристики паяльной пасты:
  11. Спецификация паяльной пасты
  12. Термопрофиль оплавления
  13. Подготовка к эксплуатации
  14. Особенности пасты БПР-1МТ
  15. Преимущества пасты БПР-1МТ
  16. Рекомендации по эксплуатации
  17. Определитесь, нужен ли вам PressFit
  18. Предусмотрите крепежные отверстия для ремонта и ручного монтажа
  19. Очень внимательно отнеситесь к согласованию замены компонентов
  20. Установите три реперные точки в слоях для монтажа
  21. Правильно используйте термобарьеры
  22. «Надгробный камень»
  23. Корректно передайте слои пасты для трафаретов (особенно если использовали нестандартные решения)
  24. Используйте односторонний дизайн, если это не приведет к значительному увеличению платы
  25. Проверьте ширину сигнальных линий (апертур)
  26. Учтите особенности процесса автоматизированного оптического контроля (подход DFI)
  27. Разрешите конфликты корпусов из-за ошибок в посадочных местах компонентов
  28. Систематизируйте наполнение библиотеки посадочных мест компонентов (футпринтов), которой пользуются проектировщики
  29. Паяльные пасты
  30. Состав паяльных паст
  31. Проблема малого веса
  32. Совершенствование состава
  33. Преимущества модернизированного состава
  34. Все ли приемы применять?
  35. Выберите оптимальный тип упаковки компонентов
  36. Располагайте тяжелые компоненты с одной стороны печатного узла
  37. Выбирайте габариты и вес плат и узлов, исходя из возможностей производства
  38. Оптимизируйте количество позиций в спецификации для материалов (BOM), чтобы снизить риски ручной работы
  39. Предусмотрите заглушки под вакуумный захват
  40. Учтите особенности автоматизированного рентгеновского контроля (подход DFX)
  41. Подбирайте компоненты со сходными термопрофилями, если это возможно
  42. Обеспечьте возможность монтажа выводных THT-компонентов рядом с SMD

Воздействие технологических процессов

Существует несколько ключевых моментов в технологическом процессе сборки, которые могут привести к дефектам на печатной плате. Одним из них является недостаточное смачивание контактов компонентов при пайке. Это может быть вызвано низким качеством паяльной пасты, не правильным профилем печи или недостаточной температурой при пайке.

Читайте также:  Пластик абс черный 4 х 300 х 400 мм

Еще одним фактором является использование некачественных материалов при изготовлении платы. Например, если используется плата с недостаточной теплопроводностью, то это может привести к неравномерному распределению тепла во время пайки.

Характеристики паяльной пасты

Выбор и качество паяльной пасты также играют важную роль в процессе сборки компонентов на плате. Низкое содержание флюса или недостаточное его распределение может привести к плохому смачиванию поверхности, что вызовет появление дефектов.

Также важно учитывать температурный профиль печи для пайки. Слишком высокая температура может повредить компоненты, а слишком низкая не обеспечит правильное соединение. Поэтому необходимо строго контролировать температуру и время обработки в печи.

Выводы

Итак, важно учитывать множество факторов при проектировании печатных плат и выборе материалов для производства. Ключевым является обеспечение качественной сборки компонентов на плате, что гарантирует долговечность и надежность электронных устройств.

Markdown файл:

### Воздействие технологических процессов

Существует несколько ключевых моментов в технологическом процессе сборки, которые могут привести к дефектам на печатной плате. Одним из них является недостаточное смачивание контактов компонентов при пайке. Это может быть вызвано низким качеством паяльной пасты, не правильным профилем печи или недостаточной температурой при пайке.

Еще одним фактором является использование некачественных материалов при изготовлении платы. Например, если используется плата с недостаточной теплопроводностью, то это может привести к неравномерному распределению тепла во время пайки.

### Характеристики паяльной пасты

Выбор и качество паяльной пасты также играют важную роль в процессе сборки компонентов на плате. Низкое содержание флюса или недостаточное его распределение может привести к плохому смачиванию поверхности, что вызовет появление дефектов.

Также важно учитывать температурный профиль печи для пайки. Слишком высокая температура может повредить компоненты, а слишком низкая не обеспечит правильное соединение. Поэтому необходимо строго контролировать температуру и время обработки в печи.

### Выводы

Итак, важно учитывать множество факторов при проектировании печатных плат и выборе материалов для производства. Ключевым является обеспечение качественной сборки компонентов на плате, что гарантирует долговечность и надежность электронных устройств.

Нарушение технологии пайки

Нарушение технологии пайки – частая причина вызывающая появления самых разнообразных дефектов. Одна из причин – это ошибки при нанесении пасты для трафаретной печати. Это может быть: смещение трафарета, не полный перенос, а также ряд других.

Читайте также:  Новые товары

Ошибки при нанесении пасты

Одной из причин нарушения технологии пайки является неправильное нанесение пасты для трафаретной печати. Это может произойти из-за смещения трафарета, неполного переноса пасты или других ошибок.

Размещение компонентов со смещением

Другая причина — размещение компонентов со смещением. Это явление может возникать из-за отсутствия калибровки SMD установщика, ошибок в его программе, а также из-за слишком высокой скорости выкладки.

Неверно подобранный режим нагрева

Третья причина – это неверно подобранный режим нагрева. Зачастую это неверные температурные границы, а также слишком короткое время третьей зоны термопрофиля.

Влияние припоя

Качество, а также физико-химические свойства пасты, используемой в пайке СМД компонентов, оказывает не последнее влияние на образование качественного паяного соединения. Она должна обладать достаточной липкостью, иметь определенную скорость оплавления, а также хорошую смачиваемость. На все эти параметры прямое влияние оказывает ее консистенция.

Паяльная паста ОПР-1МТ

Паяльная паста ОПР-1МТ отмывочная на основе оловянно-свинцовых сплавов Sn63Pb37 и Sn62Pb36Ag2 (Тип порошка 3 и 4), средней активности безгалоидная некоррозионная слабоактивированная. Предназначена для поверхностного монтажа электронных сборок.

Характеристики паяльной пасты:

  • Для нанесения с помощью трафаретной печати с шагом апертур до 0.4 мм (Тип 4), выше 0.5 мм (Тип 3).
  • Используется для проведения пайки труднопаяемых и окисленных поверхностей.
  • Паста с низким содержанием остатков после пайки.
  • Обладает высокими показателями по растекаемости.
  • Проходит оплавление в различных видах печей.

Спецификация паяльной пасты

В соответствии с НД, J-STD-006 B, IEC 61190-3

Тип пастыРазмер частиц (мкм)МешСодержание галогенидовСодержание фторидовТестирование
Тип 325-45-325/+500 мешПрисутствуетJST-D — 004BПрошел тест
Тип 438-20-400/+500 мешПрисутствуетJST-D — 004BПрошел тест

Спецификация также включает калибровку SMD установщика, ошибки в программе установки и другие факторы, влияющие на качество пайки.

Термопрофиль оплавления

Для обеспечения качественной пайки пасты БПР-1МТ рекомендуется следующий термопрофиль оплавления:

  1. Предварительное подогревание: 120-150°С в течение 60-120 секунд.
  2. Пиковая температура: 183°С для сплава Sn63Pb37 или 179°С для сплава Sn62Pb36Ag2 в течение 60-90 секунд.
  3. Охлаждение: чем быстрее, тем лучше.

Подготовка к эксплуатации

Паяльная паста БПР-1МТ предназначена для поверхностного монтажа и пайки труднопаяемых и окисленных поверхностей. Обладает высокой стойкостью к влаге, обеспечивает прочный паяный шов и позволяет легко проходить проверку зондированием.

Особенности пасты БПР-1МТ

  • Низкое содержание остатков после пайки.
  • Высокая сила склеивания.
  • Пенетрирующие и смачивающие свойства.
  • Возможность оплавления как в воздушной, так и в азотной среде.
  • Низкая тенденция к порообразованию.
  • Плавный блестящий паяный шов.

Преимущества пасты БПР-1МТ

  1. Качественное соединение деталей.
  2. Стабильная производственная эффективность.
  3. Снижение брака в процессе пайки печатных плат.

Рекомендации по эксплуатации

При пайке следует обеспечить зоны поддержки для широких или тонких плат, чтобы предотвратить коробление деталей из-за нагрева. Будьте внимательны к термопрофилю оплавления для каждого типа сплава.

Чтобы минимизировать эти деформации, нужна область для центральной поддержки шириной 6—10 мм, на которую плата будет опираться в процессе оплавления. На нижней стороне печатной платы в поле этой области не должно быть компонентов, но могут быть элементы топологии.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Центральная поддержка на конвейере. Фото с завода YADRO в Малаховке.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Зона центральной поддержки на плате обозначена двумя вертикальными штриховыми линиями и выделена светлым для наглядности.

Может оказаться, что при добавлении технологических полей широкая плата перестанет помещаться на конвейере. В таком случае нужно предусмотреть свободные зоны там, где плата ляжет на конвейер, куда будут примыкать фиксаторы. Свободная зона должна быть шириной по 3—4 мм и длиной во всю плату. Такие зоны нужны с двух сторон платы.

Для тонких плат также стоит минимизировать время нахождения в разгрузчиках или использовать оснастку, придающую мультизаготовке дополнительную жесткость.

Определитесь, нужен ли вам PressFit

PressFit, или монтаж без пайки, — это отдельная технологическая операция со своим оборудованием и специальным профилем прессования. Если вы можете обойтись разъемами SMD или Through Hole (TH), не стоит без весомых оснований выбирать PressFit. Необходимость монтажа без пайки может быть продиктована соображениями целостности сигнала: тогда можно подумать о замене всех TH-коннекторов на SMD и PressFit, чтобы убрать выводной монтаж из цикла производства.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Пример PressFit-разъема с выводами типа «ухо иголки».

При использовании технологии PressFit необходимо следить, чтобы вблизи запрессованной ножки не располагались SMD-компоненты. Это упростит и удешевит оснастку для прессования или позволит обойтись вообще без нее. Если не учесть этот момент, в оснастке придется делать вырезы под детали, чтобы она плотнее прилегала к плате, — а это дополнительное время и деньги.

Предусмотрите крепежные отверстия для ремонта и ручного монтажа

Как правило, ремонт и ручной монтаж производят на специальных термостолах, нагревающих печатные узлы снизу. Чтобы закрепить узел на такой рабочей поверхности, используются специальные фторопластовые втулки, которые устанавливаются в крепежные отверстия.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Пример использования фторопластовой втулки с крепежом за контур платы.

Предусмотрите такие отверстия для крепежа диаметром 2—3 мм со свободной зоной диаметром 6 мм. Желательно располагать отверстия по линиям, которые проходят через каждую 1/3 или 1/4 габарита платы по обеим осям. Отверстия должны быть расположены с учетом распределения массы печатного узла. Всего рекомендуется использовать не менее 5 отверстий.

Очень внимательно отнеситесь к согласованию замены компонентов

Допустим, у нас есть два компонента: CJAB60N03 и PSMN2R8-25MLC. У них одинаковый шаг выводов, термопады с очень близкими размерами и они совпадают пин в пин. На первый взгляд, эти два компонента взаимозаменяемы.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Но на практике CJAB60N03 выполнен в стандартном DFN-корпусе и к его выводам предъявляются требования по визуальному контролю пайки, как для DFN-компонентов. В то время как сигнальные выводы PSMN2R8-25MLC имеют форму «крыло чайки». И требования к контролю паяного соединения для них отличаются.

Такая замена приведет к тому, что на автоматизированном оптическом контроле после оплавления будет много ложных ошибок из-за того, что мы проверяем пайку одного типа выводов по критериям другого. Кроме того, возможны и ошибки распознавания компонента системой технического зрения установщика, поэтому придется тратить дополнительное время на его перенастройку.

Поэтому, прежде чем один компонент получит статус «замена» для другого, необходимо внимательно проанализировать даташиты обоих и сравнить:

А каждое изменение или создание посадочного места должно проходить верификацию инженером, который отвечает за целостность и актуальность библиотеки компонентов.

Установите три реперные точки в слоях для монтажа

Для позиционирования платы в принтере трафаретной печати, установщике компонентов и системах контроля качества применяется позиционирование по реперным точкам — это круги диаметром 1 мм со вскрытием паяльной маски диаметром 2—3 мм. Оборудование находит их в заданных областях и корректирует по ним реальное положение платы. Для четкого позиционирования в каждом слое, на который будут монтироваться компоненты, нужно как минимум два, а лучше три-четыре реперных знака, расположенных на плате.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Слева — реперная точка на общем виде платы. Справа — увеличение области с точкой.

Идеально, если центры компонентов располагаются внутри прямоугольника, вершинами которого являются реперные знаки. Для крупных BGA обычно устанавливают два дополнительных репера — по диагонали, для лучшего позиционирования.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Реперные точки рядом с BGA.

Совет: процесс программирования установщиков будет намного проще, если координаты реперных точек будут выражены целыми числами.

Правильно используйте термобарьеры

Термобарьеры особенно хорошо работают, если их зазор больше толщины соединения или равен ей.

Существуют случаи, когда не стоит использовать термобарьеры. Например, если диффпара подходит близко к металлизированному пазу, который должен быть соединен с «землей» (GND), не стоит подключать его через термобарьер, если при этом теряется опора диффпары.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Слева у обеих линий диффпары есть нормальная опора. Справа — левая линия теряет опору, так как идет не поверх полигона, а над зазором.

«Надгробный камень»

Наиболее любопытный дефект – это образование «надгробного камня». Дефект проявляется в виде подъёма элемента на ребро, что напоминает надгробную стелу. В некоторых случаях подъем может быть неполным, то есть одна из сторон лишь немного приподнимается, но это не умаляет проблем, возникающих при этом.

Пример проявления дефекта

Корректно передайте слои пасты для трафаретов (особенно если использовали нестандартные решения)

Трафарет, по которому наносится паяльная паста, обычно готовится не контрактным монтажным производством, а кем-то из его подрядчиков. И хотя подготовка файлов для трафарета входит в зону ответственности технолога SMT, на практике чем корректнее слои пасты будут передаваться на производство, тем меньше вероятность получить неподходящий трафарет.

Например, по рекомендации производителя компонента мы можем добавить нестандартное вскрытие апертур в трафарете, которое по форме отличается от падов и обладает большими размерами.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

BGA-компонент со смещением и нестандартным вскрытием апертур под пасту относительно падов — пасты больше, а обычно она идет в размер или меньше пада.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Конструкция этих падов интересно выглядит на просвет: паста не отцентрована с падом и ее чуть больше.

Контрактному производителю может быть некогда вникать в такие моменты. Технолог производства, скорее всего, не полезет в даташит за такими деталями — максимум за профилем термопайки.

Используйте односторонний дизайн, если это не приведет к значительному увеличению платы

Такое простое решение позволит:

Я советую этот метод для всех случаев, когда односторонний дизайн существенно не повлияет на размеры платы.

Проверьте ширину сигнальных линий (апертур)

Апертура линии не должна превышать минимальный габарит (Ox, Oy) падов:

Исключением являются линии, ширина которых спроектирована с учетом контроля импеданса.

Учтите особенности процесса автоматизированного оптического контроля (подход DFI)

Design for Inspection (DFI) — один из вариантов DFA, который отвечает за пригодность узла к прохождению автоматизированного оптического контроля (AOI). Вот что стоит помнить про этот процесс.

Теневой эффект. Обычно он возникает, если компоненты с большой разницей в высоте расположены рядом. Слишком высокий компонент заслонит низкий и не даст боковым камерам получить правильное изображение смонтированного элемента, а искаженная картинка приведет к большему количеству ложных срабатываний в этой области. Теневой эффект возможен также, если компоненты с одинаковой высотой окажутся слишком близко друг к другу.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Пример: углы расположения прожектора и боковой камеры внутри АОI-оборудования, предоставленные производством.

Чтобы избежать этого эффекта, необходимого вычислить минимальное рабочее расстояние между компонентами. Запросите характеристики используемого оборудования: в них указан угол наклона боковых камер и проекторов. Исходя из этого угла, можно рассчитать требуемый зазор между компонентами.

Проверка компонентов с углом поворота, не кратным 90°. Большинство систем AOI используют предустановленные алгоритмы проверки, а оператор может менять только некоторые параметры: габариты, цвета, яркость, контрастность и т. д. Набор таких алгоритмов прошивается поставщиком оборудования и поставляется вместе с ним в неизменном виде. Если оборудование не содержит алгоритмов для проверки компонентов, установленных с углом поворота, не кратным 90°, такие компоненты не будут проверяться вообще или будут выдавать ложные срабатывания.

На платах с нетипичным дизайном или небольшими габаритами при обвязке больших чипов компоненты могут располагаться под совершенно разными углами. Эта ситуация одинаково характерна для плат в изделиях разной степени сложности — от светодиодных ламп до спутников.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Круглая плата с неортогональным расположением элементов.

Например, круглая светодиодная лампа состоит из двух плат: источника питания на обычном стеклотекстолите FR4 и светодиодной платы на алюминиевой основе. Источник питания можно без проблем развести с ортогональной расстановкой компонентов, но светодиоды расставляют под углами, которые рассчитываются по формуле «360°, деленные на количество светодиодов».

Это особенно важно для работы с боковыми камерами, если в оборудовании не предусмотрен их поворот-подстройка под ориентацию компонентов.

Разрешите конфликты корпусов из-за ошибок в посадочных местах компонентов

Неверно указанный контур компонента при установке приведет к тому, что один компонент заденет и сдвинет другой. А это потенциальные непропаи и короткие замыкания между выводами.

Разберем интересный пример, который также можно отнести к проблеме конфликтов корпусов. На некоторых сборках применяются втулки с внутренней резьбой, которые невозможно захватить обычным способом. Поэтому на верх втулки клеится специальная пленка: иногда она круглой формы и ровно в габарит втулки, а иногда имеет специальный козырек, за который пленка удобно срывается.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Слева: втулка без покрывной ленты (изображение из даташита). Справа: вид сверху на втулку с покрывной лентой в упаковке, красным обозначена покрывная лента с козырьком.

Если втулка с козырьком будет расположена слишком близко к уже установленному коннектору, он может сместиться этим кончиком пленки. Если же сначала установлена втулка, то при установке коннектора козырек будет задет, и он сдвинется сам или подвинет втулку.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Выдержка из даташита на втулку — напоминание учитывать расположение козырька при программировании установщиков и автоматизированного оптического контроля. К сожалению, втулки часто могут вращаться внутри упаковки, что приводит к рандомному положению козырька при захвате.

Бывает, что плату с подобной трассировкой отдают двум разным контрактным производствам. Одно закупает втулки без козырька, другое — с ним. В результате первое не имеет никаких проблем со сборкой, а второе никак не может отладить процесс установки втулок, если позиция козырька жестко не зафиксирована в упаковочной ленте.

Систематизируйте наполнение библиотеки посадочных мест компонентов (футпринтов), которой пользуются проектировщики

Вариантов ошибиться в футпринте масса. Неверный шаг микросхемы приведет к тотальным проблемам при монтаже (если он вообще будет возможен), потому что выводы не попадут на соответствующие пады. Некорректное вскрытие маски одним окном на весь ряд выводов обернется потенциальным коротким замыканием при монтаже. Слишком малый отступ вскрытия маски от пада даст неполноценный контакт, если при изготовлении платы маска чуть «уплывет», так как контактная площадка станет меньше.

Самое главное, что подобные проблемы будут путешествовать вместе с футпринтом из проекта в проект, из ревизии в ревизию до тех пор, пока футпринт не поправят в библиотеке и не обновят его во всех проектах.

Проверять и обновлять футпринты перед выводом финальных gerber-файлов — очень хорошая практика.

Но представим ситуацию: в первой ревизии печатного узла использовался футпринт, который дал дефекты пайки на 10% пассивных компонентов. В следующей ревизии использовали другой футпринт, а дефектов стало 15—20%. Как такое могло случиться?

Обычно тополог опирается на множество источников и рекомендаций. Это:

Кроме того, существует немало инструментов, которые помогают быстро генерировать футпринты для компонентов.

Если не систематизировать работу с этими ресурсами и инструментами, мы рискуем получить библиотеку, где будут смешаны компоненты и десятки разнообразных посадочных мест, которые им не подходят. Кроме того, одинаковые контактные площадки, входящие в один футпринт, могут быть названы по-разному, — не будет прослеживаться системность названий.

Как итог, компоненты будут плавать на припое и смещаться относительно точки установки, в худшем случае слипнутся между собой, образуя короткое замыкание. А у мелких резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности (далее — компоненты R, L, C) может образовываться эффект надгробного камня, когда в одной точке пайки припой плавится раньше, чем в другой, и поверхностное натяжение приподнимает компонент.

Эффект надгробного камня при пайке, показанный наглядно.

Чтобы избежать подобных ситуаций, стоит «причесать» библиотеку по следующему алгоритму. Для начала привести в порядок именование контактных площадок (pad), назвав их все по одному шаблону. Шаблон можно придумать самостоятельно или опираясь на стандарт IPC-7351. Затем исправить и свести к одному повторяющиеся типы посадочных площадок.

Создавая футпринты, следует опираться на даташиты компонентов и учитывать возможности производств печатных плат. Например, закладывать вскрытие маски от пада (+100 мкм на габарит) и отступ шелкографии от вскрытия маски (100—125 мкм).

Библиотека компонентов также может содержать специальные футпринты для частных случаев. Например, для конденсаторов, которые используются только в определенных зонах (например, под BGA). Такие посадочные места должны применяться исключительно в тех областях, для которых они разработаны.

Паяльные пасты

Ранее повсеместно применялась пайка омыванием контактов расплавом оловянно-свинцового припоя. Однако такая технология сопряжена с риском перегрева платы, что может привести к ее повреждению. К тому же такой способ пайки не подходит для SMT-технологии.

Припаивание омыванием платы жидким припоем

Для этой технологии нужен пластичный низкотемпературный припой, который легко бы наносился на контакты. Изобретение низкотемпературной паяльной пасты позволило существенно ускорить производственные процессы, а также продолжить дальнейшую миниатюризацию компонентов и уменьшить минимальный шаг выводов.

Состав паяльных паст

Все применяемые пасты для лужения приблизительно схожи. Любая паста состоит из двух основных составляющих: небольшого размера частиц припоя, а также флюса. Флюс должен повышать текучесть, способствовать удалению, а также препятствовать дальнейшему образованию окислов.

В состав флюса для пайки включают галогенсодержащии соединения либо органические кислоты. Безгалогенные флюсы относятся к инертным. Минимальное содержание и сниженная активность позволяет им практически полностью расходоваться в процессе пайки. Такие составы называют безотмывочными пастами.

Конечное соединение создается расплавляемыми частицами порошка припоя. При этом важны не только финальная прочность и пластичность соединения, но и его поведение в процессе нагрева, а также такие характеристики, как температуры солидуса и ликвидуса.

На температуру плавления паяльной пасты, а также кристаллизацию влияет концентрация входящих в нее элементов. Эти смеси включают несколько металлов, все они имеют различные точки плавления и кристаллизации. В процессе нагрева происходит поочередное плавление металлов, от менее тугоплавкого к более тугоплавкому.

За температуру ликвидуса (лат. Liquidus – жидкость) принята граница, при которой все металлы входящие в припой переходят в жидкое состояние. В противовес этому показателю – граница полной кристаллизации расплава. Её называют температурой солидуса (лат. Solidus – твердый).

Проблема малого веса

Переход на миниатюрные компоненты 0402, а также 0201 привел к резкому росту образования «надгробных камней». Корректировка термопрофиля не принесла существенных улучшений. Проанализировав поведение элементов, выяснилось, что причина этому – узкий температурный диапазон между ликвидусом и солидусом. Из-за быстрой смены агрегатного состояния не получалось добиться относительно одинакового изменения поверхностного натяжения на всех участках пайки. Как следствие, это приводило к неравномерному распределению механических усилий, создаваемых на концах элемента.

Соотношение размеров грифеля автоматического карандаша с компонентами 0402 и 0603

Совершенствование состава

Для расширения температурного окна потребовалась разработка совершенно новой паяльной пасты. Помимо, классически включенных свинца и олова, необходима была добавка, расширяющая границы между полным плавлением и кристаллизацией. Этим исследованием занялись специалисты компании Indium Corp.

В итоге специалистами удалось расширить разницу температур почти до 7 градусов, что уменьшило частоту подъема элементов до 0,3%.

Преимущества модернизированного состава

Помимо, расширения температурного окна ликвидус-солидус паста получила некоторые дополнительные преимущества:

Паяльные смеси в различных упаковках

Все ли приемы применять?

Глубина DFA-анализа напрямую зависит от сложности печатного узла и запланированного тиража. Ниже мы приведем упрощенную схему, из которой, безусловно, возможны исключения.

Для простых узлов и небольших тиражей достаточно проверить корректность упаковки элементов, наличие поверхности под захват, реперных знаков хотя бы на мультизаготовке и отсутствие конфликтов корпусов. В случае с более сложным узлом стоит уделить внимание термобарьерам и зоне для центральной поддержки.

Если узел сложный или вы заказываете большой тираж, необходимо проверять пригодность узла к селективной пайке, автоматизированным рентгеновскому и оптическому контролям. Чем сложнее узел и больше тираж, тем более тщательной должна быть проверка топологии в процессе трассировки платы и перед отправкой конструкторской документации на производство.

Все описанное мной закреплено в ряде стандартов: IPC-M-109, IPC-A-610, IPC-7351. Если у вас появились вопросы по описанным процессам, задавайте их в комментариях!

Выберите оптимальный тип упаковки компонентов

В корректно написанной конструкторской документации должны быть перечислены каталожные номера (part numbers) всех компонентов с указанием типа упаковки, которая необходима для автоматизированной сборки. Завод-изготовитель упаковывает компоненты тремя способами: ленты, пеналы и палеты.

Ленты (Tape & Reel). Они используются для всех типов корпусов SMD, в том числе и для BGA-, LGA-корпусов, кроме разве что самых крупных.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Лента с компонентами, намотанными на катушку: поверх несущей ленты находится так называемая покрывная или защитная лента, которая не дает компонентам выпасть.

Таблица соответствия габаритов несущих и покрывных лентНесущая лента, мм Покрывная лента, мм

Ширина ленты определяется габаритами компонента. Под каждый габарит необходим соответствующий ей питатель (feeder). Это специальный адаптер, который устанавливают в зону забора компонентов на конвейере, куда «заряжается» лента с компонентами.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Ленты с компонентами разной ширины, установленные в питатели.Фото с завода YADRO в Малаховке.

Пеналы (Tube). Используются для небольших микросхем с типами корпусов QFN, SON, DFN, SOIC и для выводных компонентов. Форма пенала зависит от корпуса микросхемы.

Например, компоненты в корпусах SOP4 и SOP6 будут поставляться в более узких пеналах:

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Это правильный пенал: микросхеме некуда сместиться.Источник изображений: toshiba.semicon-storage.com.

В то время как TH-корпус 5-pin-DIP будет иметь такую упаковку:

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Еще один пример правильного совмещения компонента и пенала.Источник изображений: toshiba.semicon-storage.com.

У пеналов есть ряд минусов. Вибропитатели, на которые их устанавливают, съедают полезное место на конвейере. Особенно если это старые модели. Один вибропитатель занимает место для 10 питателей из 8-миллиметровых лент. С одной стороны, это уменьшает число компонентов, которые могут быть установлены за один проход. С другой — если нам надо поставить всего три разные микросхемы из пеналов, вибропитатель, необходимый для их зарядки, все еще займет место 10 питателей шириной 8 мм, а часть вибропитателя будет пустовать.

Более того, пеналы не всегда подбирают точно под форму компонентов. Если производство найдет доступный и «просто похожий», а не спроектированный под конкретный корпус пенал, это повлияет на равномерность подачи. Пеналы вставляются в вибропитатели под углом, и детали под своим весом съезжают вниз. Если пенал имеет слишком большие зазоры, детали могут застревать из-за разворота внутри него или вываливаться по несколько штук сразу — несмотря на то что за пеналом есть ограничитель, который должен выдавать компоненты по одному.

Поэтому в идеале не используйте пеналы. А если нет возможности отказаться от них, убедитесь, что у производства есть вибропитатели с тонкими сетками.

Палеты (Tray). Они используются для крупных микросхем, BGA- и LGA-корпусов, разъемов, иногда — для QFN и QFP.

Палеты также стоит выбрать, если какие-то компоненты нужно программировать перед монтажом, а на производстве нет автоматического программатора — такая упаковка дает простой доступ к забору и возврату деталей, что позволит провести цикл распаковки-прошивки-упаковки без дополнительного оборудования. Существуют и современные программаторы, которые могут работать как с палетами, так и с лентами, но подобное оборудование стоит больших денег и занимает дополнительное место на участке монтажа.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Пример палеты, заполненной BGA-компонентами.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Слева — палета, установленная в оснастку для загрузки в модуль работы с палетами.Справа — верхняя часть такого модуля: видны установленные в него оснастки. Фото с завода YADRO в Малаховке.

Если компоненты до монтажа программируются «ручным» программатором, обратите внимание, чтобы после прошивки их вернули в палету с одинаковой ориентацией. Неоднородная полярность в таре — следствие человеческого фактора и при использовании автоматического программатора практически исключена. Но если компоненты все-таки будут лежать с разной ориентацией, они могут не распознаться системой технического зрения (СТЗ) установщика и в лучшем случае будут сброшены. Хуже, когда компонент симметричен: тогда СТЗ не найдет ошибки и установщик поставит компонент на плату.

В пайку уйдет компонент, установленный без соблюдения полярности, и это выявится лишь на следующих этапах. Если линия оснащена системой автоматического оптического контроля, обнаружить и исправить полярность компонента можно будет перед оплавлением — то есть без перепайки. В остальных случаях вы, скорее всего, узнаете о проблеме уже только на выходном контроле.

Располагайте тяжелые компоненты с одной стороны печатного узла

После того как тяжелые компоненты распаяны на одной стороне платы, начинается процесс оплавления другой стороны. Детали оказываются в перевернутом положении, а припой под ними продолжает плавиться. Если поверхностное натяжение жидкого припоя на всех точках пайки компонента, которое удерживает его на плате, окажется слабым, деталь может:

Поэтому компоненты в BGA-, LGA-корпусах, большие разъемы и тяжелые индуктивности рекомендуется располагать с одной стороны печатного узла.

В случае если не получается избежать двустороннего монтажа крупных компонентов, их можно приклеить. Запросите у контрактного производителя, есть ли у них принтер трафаретной печати со встроенной функцией дозирования клея, и укажите в документации места дозирования, заложив не менее двух клеевых точек на крупный компонент.

Выбирайте габариты и вес плат и узлов, исходя из возможностей производства

На размеры платы могут повлиять разные ограничения: например, она должна устанавливаться в корпус конкретных размеров, соединяться с другими платами, быть пригодной для монтажа определенных механических или электрических компонентов. Если же точные параметры не оговорены, есть несколько правил, к соблюдению которых стоит стремиться.

Старайтесь минимизировать площадь платы. Это сократит расход материала и даст возможность разложить больше плат на одной мультизаготовке для монтажа, что уменьшит цикл сборки. При этом важно не переборщить: например, нет смысла делать проводники по 75 мкм исключительно ради экономии размеров платы.

Слишком широкие платы могут просто не поместиться на конвейере SMD-линии. Заранее уточните максимальные габариты, с которыми может работать линия поверхностного монтажа выбранного производителя.

Большинство конвейеров рассчитаны на работу с весом до 3 кг. Суммарный вес печатного узла вместе со всеми смонтированными деталями и паяльной пастой не должен превышать возможности конвейерных систем и/или специальных буферов охлаждения, которые используют современные линии SMT. Если узел весит больше, можно разбить его на несколько отдельных весом поменьше.

Если в проекте больше 7—10% тяжелых узлов, лучше найти производство с конвейерами, рассчитанными на 5 кг.

Оптимизируйте количество позиций в спецификации для материалов (BOM), чтобы снизить риски ручной работы

Чем больше позиций указано в SMT-разделе ВОМ (BOM — Bill of Materials), тем больше питателей должно быть установлено на монтажной линии. Если окажется, что компонентов больше, чем предусматривает емкость автоматических установщиков по питателям, придется устанавливать дополнительные компоненты вручную перед запеканием платы. Это не только заметно увеличит сложность монтажа, но и повысит вероятность брака: есть риск случайно задеть соседние компоненты. А значит, способ не подходит для массового производства.

Поэтому рекомендуется использовать более сжатые ряды номиналов для пассивных компонентов. Например, ограничить схемотехников использованием ряда Е24 против Е48 или Е96.

Предусмотрите заглушки под вакуумный захват

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Пример разъема с центральной заглушкой для SMT-монтажа (обозначена как Vacuum pick-up region).

В процессе монтажа специальные вакуумные насадки (nozzle) захватывают компоненты за центр масс. Но не все компоненты можно ухватить такой насадкой, это относится, например, к втулкам под винты и разъемам. В таком случае используют специальные наклейки или заглушки соответственно.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Информация о заглушках и типе упаковки указывается в даташитах компонента.

В примере выше выделенный цветом пункт говорит о том, что если необходима вакуумная заглушка для разъема, то в документации должен быть указан каталожный номер с постфиксом, заканчивающимся на CLF.

Учтите особенности автоматизированного рентгеновского контроля (подход DFX)

Design for X-ray (DFX) поможет упростить работу с автоматизированным рентгеновским контролем печатного узла (AXI) и сократить количество ложных срабатываний. Вот что стоит учесть в этом подходе.

Минимизируйте количество конденсаторов, катушек и резисторов под выводами микросхем, которые будут проходить контроль. На рентгене эти компоненты могут быть интерпретированы как короткое замыкание, что приведет к ложному сигналу об ошибке.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Обведенный конденсатор может быть принят AXI (Automated X-ray Inspection) за короткое замыкание.

Похожая ошибка возможна, если коннекторы на обеих сторонах платы будут установлены в одинаковом положении.

Сделайте пады в футпринтах BGA отличными от круга. Форма скругленного квадрата, восьмиугольник или добавление teardrop на паде позволит однозначно определить, какой именно из контактов вы проверяете: припой с падом микросхемы или припой с платы. Это сильно упростит жизнь оператору рентген-установки.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Слева — cтандартные пады круглой формы, справа — восьмиугольные.

Подбирайте компоненты со сходными термопрофилями, если это возможно

К сожалению, не все компоненты имеют сходные рекомендации по профилю пайки.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Пример термопрофиля для поверхностного монтажа резисторов.

Например, для SMD-динамика, максимальная температура пайки которого 210—220 °C, подойдет только легкоплавкий или свинецсодержащий припой. Если производство использует бессвинцовый припой — например, SAC (температура плавления от 220 °C), то динамик придется паять вручную, а не в печи оплавления. Это увеличит трудоемкость и стоимость изготовления печатной платы. Похожая проблема случится, если динамик будет установлен на плату вместе с теплоемкими BGA-компонентами — для них также используется бессвинцовый припой.

Чтобы избежать таких ситуаций, старайтесь подбирать компоненты со сходным технологическим окном пайки. Корректно подобранный термопрофиль отвечает рекомендациям даташита используемой паяльной пасты и даташитов монтируемых компонентов.

Обеспечьте возможность монтажа выводных THT-компонентов рядом с SMD

Для монтажа THT-компонентов на линии селективной пайки нужно соблюсти несколько условий.

Во-первых, это радиальная ориентация компонентов. Ориентация по касательной увеличивает вероятность смыва SMD-компонента и/или его короткого замыкания на паяемые выводы.

Проектируем узлы печатной платы с учетом особенностей монтажа при массовом производстве подход dfa

Предпочтительная ориентация компонента: пример из рекомендаций производителя оборудования для селективной пайки.

Во-вторых, расстояние от THT-пада до прямоугольника, описанного вокруг футпринта, и корпуса SMD-компонента должно быть больше 4 мм.

Оцените статью
Про пайку
Добавить комментарий