DFA-Richtlinien für ein effizientes PCB-Design

Jede Leiterplatte, die zu einem echten Gerät werden möchte, muss mit hoher Ausbeute montiert werden. Eine strategische Planung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Platine beim ersten Versuch korrekt montiert werden kann. Ein Verständnis einiger grundlegender DFA-Richtlinien kann helfen sicherzustellen, dass Ihr Design mit minimalen Fehlern und ohne Nacharbeit durch die Fertigungsmontage geht.

In diesem Artikel werden wir die folgenden Punkte behandeln:

• Warum ist DFA wichtig im PCB-Design?
• Ziele von DFA
  • Standardisierung
  • Komponentenvalidierung
  • Reduzierung von Montagefehlern
• DFA-Standards
  • Komponentenorientierung mit Polaritätsmarkierungen
  • Abstandsbedingungen
  • IPC-Montagestandards
• Häufige Montagefehler
  • Tombstoning
  • Lötbrücken
  • Lötkugeln
  • Löthohlräume
• Inspektionsmethoden
  • Automatische Optische Inspektion (AOI)
  • Röntgeninspektion

DFA ist ein Prozess, der aus drei Phasen besteht. In der ersten Phase wird das Design des Platinenlayouts berücksichtigt. Während dieser Phase werden Abstände zwischen Komponenten, die Richtung des Lötens und die Reduzierung der Montagekosten berücksichtigt. In der darauffolgenden Phase werden Gerber- oder ODB++-Dateien auf Abstände und Orientierung von Komponenten, Footprints und verschiedene Reinigungsmethoden validiert. In der letzten Phase werden Anforderungen an Wellenlöten, Reflowlöten und manuelles Löten identifiziert.

 

Ziele von DFA

Standardisierung

Jeder Leiterplattendesigner wird Schwierigkeiten haben, die Herausforderungen vorherzusagen, die beim Arbeiten an einem neuen PCB-Design auftreten könnten. Das Hauptziel der Standardisierung besteht darin, das Unsicherheitsniveau zu minimieren, indem Teile und Techniken verwendet werden, die sich zuvor bewährt haben. Unten sind ein paar Wege aufgeführt, um eine maximale Standardisierung in Ihrem Design zu gewährleisten:

• Überprüfen Sie die Quelle jedes Bauteils sorgfältig, um die Echtheit der Komponenten zu gewährleisten. Nicht autorisierte Quellen erhöhen das Risiko von Verzögerungen, Fehlinformationen und gefälschten Teilen.
• Versuchen Sie, die Anzahl einzigartiger Bauteilgehäuse zu reduzieren, um den Design-for-Assembly-Prozess zu erleichtern und potenzielle Fehler zu minimieren. Wenn es beispielsweise Abweichungen zwischen Footprint und Landmuster gibt, werden die notwendigen Layoutanpassungen schneller durchgeführt, da das Design weniger einzigartige Landmuster haben wird.

Komponentenvalidierung

Eines der Hauptziele von DFA ist es, die Komponenten, die auf die Platine kommen, zu validieren. Befolgen Sie die unten genannten Richtlinien, um Ihrem Hersteller zu helfen, Ihre Platine effizient zu montieren:

 

Reduzierung von Montagefehlern

DFA konzentriert sich hauptsächlich darauf, potenzielle Montagefehler zu eliminieren, die auftreten können. Abgesehen von den oben diskutierten Punkten ermöglichen die nachfolgenden Punkte den Herstellern, Leiterplatten mit der gewünschten Funktionalität zu fertigen.

• Halten Sie sich an Größen, Abstände und Toleranzen für gebohrte Löcher, die innerhalb der Fähigkeiten Ihres Fertigers liegen. Dies stellt auch die Herstellbarkeit Ihres PCB-Designs sicher.
• Befolgen Sie Freiräume und Toleranzen, die innerhalb der Fähigkeiten Ihres CM liegen. 
• Befolgen Sie die Regeln für den Randabstand der Platine.
• Stellen Sie sicher, dass die Platinenform eine optimale Panelisierung ermöglicht.
• Inkorporieren Sie thermische Entlastungen, wo notwendig.

DFA-Standards

Wie in den vorherigen Abschnitten besprochen, hilft das Kennen der DFA-Standards Ihnen, eine Platine auf eine effiziente und kosteneffektive Weise zu entwerfen. In diesem Abschnitt werden wir Sie durch einige kritische DFA-Normen führen.

Komponentenorientierung mit Polaritätsmarkierungen

Die Ausrichtung der Komponenten ist einer der wichtigsten Faktoren, die während der Vormontagephase berücksichtigt werden müssen. Für eine problemlose Montage ist es unerlässlich, klare und eindeutige Techniken der Ausrichtung zu befolgen. Betrachten Sie als Beispiel Dioden, die eine bestimmte Polarität aufweisen werden. Stellen Sie sicher, dass das Schaltsymbol und der Siebdruck eine angemessene Polaritätsmarkierung aufweisen, die nach der Platzierung sichtbar sein wird. Dies erleichtert den Inspektionsprozess und erleichtert das Testen oder Debuggen.

 

Das Symbol kann zwischen den beiden Pins für Durchsteckteile positioniert werden, aber es sollte neben dem Bauteil für Oberflächenmontage-Bauteile platziert werden. Da diese Symbole viel Platz einnehmen können, würde ein Balken über dem Kathodenpad oder eine einfache Angabe von A (Anode) oder K (Kathode) für HDI-Platinen ausreichen. 

Gruppieren Sie immer ähnliche Komponenten und versuchen Sie, sie nach Möglichkeit mit der gleichen Ausrichtung zu platzieren. Dies erleichtert einen schnellen Montageprozess. Beispielsweise können alle QFPs in einer Reihe mit Pin 1 in der gleichen Ecke für jeden IC platziert werden.

 

Abstandsbedingungen

Der Abstand zwischen den Komponenten beeinflusst die Zeitrahmenanforderungen des PCBA-Prozesses. In diesem Abschnitt werden wir einen Blick auf empfohlene Abstandsstandards werfen, um die Qualität des Montageprozesses zu gewährleisten.

Abstand von Bauteil zu Kante

Der Abstand von Bauteil zu Kante ist der Abstand von einer gegebenen Komponente auf der Platine zu deren Rand. Dieser Faktor spielt eine wichtige Rolle während der Depanelisierung. Während dieses Prozesses werden die Komponenten in der Nähe des Platinenrands Spannungen ausgesetzt, die die Lötstellen beeinflussen könnten. Wir empfehlen einen 125 mil Abstand zwischen dem Platinenrand und den auf der Oberseite der Platine platzierten SMDs, aber Ihr Hersteller könnte in seinem Prozess andere Toleranzen vorgeben.

Manchmal erhöhen Hersteller den Abstand von Komponente zu Platinenrand auf der Unterseite der Platine weiter. Dies reduziert die Möglichkeit von SMT-Komponentenschäden während des Auftragens der Lötpaste.

Kupferbahnen können auch näher am Rand der Platine verlegt werden. Dies ermöglicht einen Lötstopplackabstand und verhindert das Eindringen in die Pads. Bahnen, Kupferflächen und manuell eingefügte Teile müssen mindestens 10 mils vom Rand der Platine entfernt sein. Durchkontaktierte Löcher sind ein Design, das eine Kupferbeschichtung am Rand der Platine erfordert. Um die gewünschte Kupferbeschichtung zu erreichen, benötigen solche Designs zusätzliche Kosten und Zeit.

 

Abstand zwischen Bauteil und Loch

Der Abstand zwischen Bauteil und Loch sollte sowohl für Durchkontaktierungen als auch für Durchsteckkomponenten berücksichtigt werden. Er bestimmt den minimalen Abstand zwischen einem Bauteilpad/-körper und den Löchern. Dieser Abstand besteht aus zwei spezifischen Faktoren, die erfüllt sein müssen, um eine hochwertige Montage zu erreichen.

• Abstand Bauteil zu Lochwand: Dies wird vom tatsächlichen Lochrand bis zum Padrand gemessen. Dies ist auch als Bohrung-zu-Kupfer-Abstand bekannt. Der erforderliche Mindestabstand beträgt etwa 8 mils.
• Abstand Bauteil zu Ringnut: Dies wird vom Rand der Lochringnut bis zum Padrand gemessen. Der erforderliche Mindestabstand beträgt etwa 7 mils.

 

IPC-Montagestandards

Hier sind einige der anderen IPC-Montagestandards, an die sich Ihr CM bei der Montage von Platinen halten wird.

• IPC-A-600: IPC-A-600, allgemein bekannt als IPC-600, legt die Akzeptanzkriterien für jede Produktkategorie fest. Es definiert die wünschenswerten, zulässigen und nicht verhandelbaren Anforderungen an die Platinen.
• IPC/WHMA-A-620C: Es beschreibt den Standard für Materialien, Verfahren, Tests und Akzeptanzkriterien für Kabel- und Kabelbaummontagen.
• IPC-A-630: Es definiert die Standards für elektronische Gehäuse. Dieser Standard kommt zum Einsatz, wenn Ihr CM die Montage durchführt und den Inspektionsprozess ausführt.

Häufige Montagefehler

Dieser Abschnitt beschreibt die Fehler und Probleme, die während der PCBA am häufigsten auftreten. Hersteller verwenden viele Qualitätskontrollmethoden, um diese Fehler zu vermeiden, und einige dieser Methoden werden in den folgenden Unterabschnitten erwähnt.

Tombstones

Ein Tombstone, auch bekannt als Manhattan-Effekt, bezieht sich auf den Fall, bei dem ein SMD-Bauteil teilweise oder vollständig von seinem Landepad abgelöst wird. Dies tritt am häufigsten bei kleinen SMD-Passiven (0603 oder kleinere Pakete) auf und wird durch Kraftungleichgewichte während des Reflow-Lötens verursacht.

Methoden zur Vermeidung von Tombstoning:

• Stellen Sie hohe Bauteilgenauigkeit und eine hohe Vorwärmtemperatur sicher.
• Vermeiden Sie Exposition gegenüber hohen Temperaturen und Feuchtigkeit.
• Erweitern Sie die Soak-Zone, um die Benetzungskraft auf beiden Pads auszugleichen, bevor die Paste den geschmolzenen Zustand erreicht.

 

Lötbrücken

Lötbrücken treten auf, wenn das Lot zwischen zwei Leitern aufgetragen wird, die nicht elektrisch verbunden sein sollten. Diese unerwünschten Verbindungen werden als Kurzschlüsse bezeichnet.

Methoden zur Vermeidung von Lötbrücken:

• Stellen Sie sicher, dass der Metallgehalt in der Lötpaste mindestens 90% beträgt.
• Richten Sie die Schablonenöffnungen genau aus und reduzieren Sie ihre Größe um 10%.
• Sichern Sie ein angemessenes Reflow-Profil.

 

Lötkugeln

Lötkugeln sind der häufigste Defekt, der während der Oberflächenmontage auftritt. Es handelt sich um die Bildung von winzigen kugelförmigen Partikeln aus Lot, die sich vom Hauptkörper, der die Verbindung bildet, isolieren. Dies ist bei einem No-Clean-Prozess bedenklich, da viele Lötkugeln eine Brücke zwischen zwei benachbarten Anschlüssen bilden können. Dies führt zu funktionellen Problemen auf der Platine.

Methoden zur Vermeidung von Lötkugelbildung:

• Pad-Größen und -Abstände sollten gemäß dem Datenblatt entworfen werden.
• Backen Sie die Platine vor dem Drucken der Lötpaste.Stellen Sie sicher, dass die Dicke der Lochmetallisierung größer als 25μm ist, dies verhindert das Einfangen von Wasser.

 

Lötstellen-Voids

Leere Räume oder Löcher innerhalb der Lötstelle werden als Lötstellen-Voids bezeichnet. Ein Lötstellen-Void entsteht, wenn nicht genügend Lötzinn vorhanden ist, um eine Verbindung herzustellen. Ein Lötstellen-Void besteht typischerweise aus Luft.

Methoden zur Vermeidung von Lötstellen-Voids:

• Erhöhen Sie den Entgasungskanal, um Gasen das Entweichen aus der Platine zu ermöglichen.
• Versuchen Sie, bleifreie Lötpaste zu verwenden.

 

Inspektionsmethoden

Nachdem die Leiterplatte bestückt wurde, können Hersteller mehrere Inspektions- und Qualitätskontroll-Verfahren durchführen.

Automatische optische Inspektion (AOI)

Die automatische optische Inspektion (AOI) ist eine effiziente und genaue Methode zur Erkennung von Montagefehlern bei PCBs, bevor die Platinen das Produktionswerk verlassen. Diese Methode verwendet hochauflösende Kameras und fortschrittliche Bildverarbeitungssoftware, um Montagefehler wie fehlende oder falsch platzierte Komponenten, Lötbrücken, Lötkugeln oder Grabsteine zu identifizieren.

 

Röntgeninspektion

AXI (automatisierte Röntgeninspektion) ist ein beliebter Ansatz zur Erkennung von versteckten Defekten in ICs und BGAs. Die Scanquelle in diesem System ist ein Röntgenstrahl. Es kann verwendet werden, um große Hohlräume und Brüche zu identifizieren. Dieser Ansatz ermöglicht einen zerstörungsfreien Zugang zu inneren Geometrien und strukturellen Zusammensetzungen. AXI erfasst Bilder auf die gleiche Weise wie AOI. Der einzige Unterschied besteht darin, dass AOI mit einer Lichtquelle scannt, während AXI mit einem Röntgenstrahl scannt.

DFA-Richtlinien sollen eine hohe Ausbeute und minimale Nacharbeit nach der Montage gewährleisten. Diese und viele andere DFA-Richtlinien können Sie implementieren, bevor Sie in die Produktion gehen, indem Sie den DRC-Motor in Altium Designer® verwenden. Nachdem Sie sich mit Ihrem Hersteller beraten haben, können Sie die oben aufgeführten Einschränkungen in Ihre PCB-Designregeln programmieren, um sicherzustellen, dass Sie schnell Fehler erkennen und korrigieren können. Sobald Ihr Design bereit für eine gründliche Designprüfung und Fertigung ist, kann Ihr Team in Echtzeit über die Plattform Altium 365™ zusammenarbeiten und teilen. Designteams können Altium 365 nutzen, um Fertigungsdaten und Testergebnisse zu teilen, und Designänderungen können über eine sichere Cloud-Plattform und in Altium Designer geteilt werden.

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