Тыкаем палкой и заставляем работать

Компоненты в ленте и пенале более надежны

Лента и пеналь защищают компоненты от механических воздействий, что уменьшает ошибки при сборке.

Обратите внимание на размеры компонентов

Для успешной сборки на SMT-линии нужно удерживать минимальный зазор между компонентами в ленте или пенале. Если компоненты будут идти на сборку слишком близко друг к другу, дополнительное оборудование для обработки и сборки может потребоваться.

Закупайте компоненты у одного поставщика

Это упрощает и уменьшает риск ошибок при сборке, так как каталожные номера компонентов в конструкторской документации точно перейдут в производство.

Документация — это ключевой элемент

Вся информация о компонентах и их упаковке должна быть предоставлена в конструкторской документации. Также важно обговорить все детали и особенности с поставщиком перед заказом.

Заключение

Применение правильного подхода к выбору компонентов, их упаковке и конструкторской документации помогает избежать проблем на этапе автоматизированной сборки печатных плат. Соблюдение технологии Design for Assembly позволяет не только повысить качество и надежность продукции, но и сократить время и затраты на производство.

Проблема с пеналами

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:

Еще один пример правильного совмещения компонента и пенала.

Источник изображений: toshiba.semicon-storage.com.

Недостатки пеналов

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)

Палеты 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.

Пример палеты, заполненной BGA-компонентами.

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.

Предусмотрите заглушки под вакуумный захват

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.

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.

Подбирайте компоненты со сходными термопрофилями, если это возможно

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.

Организация библиотеки посадочных мест компонентов

Существует множество способов совершить ошибку в выборе футпринта. Даже небольшое отклонение может привести к серьезным проблемам при монтаже, и эти проблемы могут перенестись из проекта в проект, из ревизии в ревизию.

Часто топологи основываются на различных рекомендациях и источниках информации при выборе футпринта для компонентов. К тому же, существует множество инструментов для создания футпринтов быстро.

Однако, если не организовать работу с этими источниками и инструментами, в библиотеке могут оказаться смешаны компоненты и разные посадочные места, что приведет к возникновению серьезных проблем. Контактные площадки, имеющие одинаковые размеры, в разных футпринтах могут иметь разные названия, что затруднит систематизацию.

Чтобы избежать подобных ситуаций, необходимо провести следующие шаги:

Систематизация именования контактных площадок

Унифицировать названия контактных площадок по одному шаблону, создав их в соответствии с стандартами либо с использованием собственных шаблонов.

Улучшение качества футпринтов

Исправить повторяющиеся типы посадочных площадок, привести футпринты в библиотеке к единому стандарту.

Использование информации из даташитов

При создании футпринтов следует ориентироваться на информацию из даташитов компонентов и учитывать требования производителей печатных плат. Необходимо учитывать отступы и расстояния между элементами.

Создание специальных футпринтов

В библиотеке также могут присутствовать специальные футпринты для конкретных случаев, например, для компонентов, используемых только в определенных зонах на плате. Следует использовать такие посадочные места только в соответствующих областях.

После проведения вышеперечисленных шагов библиотека посадочных мест компонентов будет более удобной в использовании и позволит избежать многих проблем, связанных с выбором неподходящего футпринта.

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.

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.

Предусмотрите зоны поддержки для широких или тонких плат

Большие печатные платы сильно подвержены короблению из-за расширения при нагреве в печи. Платы тоньше миллиметра могут покоробиться под собственным весом как на конвейере, так и во время хранения в разгрузчике.

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.

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

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.

Правильно обозначьте начало координат

Для работы автоматическому установщику нужен файл центров элементов, который называют Pick & Place (расширение .pnp), со следующей информацией:

Центр отсчета координат компонентов должен быть в нижнем левом углу прямоугольника, описанного вокруг контура платы.

Плата с фигурным контуром. Начало отсчета координат — розовый крест в левом нижнем углу. Желтым цветом показаны построения до крайних точек контура платы.

Если конструктор платы был небрежен и поставил нулевую точку случайным образом, то будет крайне сложно составить корректную программу для мультизаготовки или даже единичной платы с техническими полями.

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.

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.

Реперные точки рядом с BGA.

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

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Слева — cтандартные пады круглой формы, справа — восьмиугольные.

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!

Код 8311 30 000 0

ПРУТКИ С ПОКРЫТИЕМ И ПРОВОЛОКА С СЕРДЕЧНИКОМБ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ, ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ ИЛИ ДЛЯ ГАЗОВОЙ СВАРКИ, ИЗ НЕДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛОВ