Il posizionamento dei fiducial marker o fiducial sui PCB è ancora necessario, date le moderne tecnologie di produzione?

Circa 10 anni fa ho smesso di guardare film horror. Quando ero giovane amavo spaventarmi di proposito, ma quando ho iniziato la mia carriera di ingegnere, mi sono interessato di più all'azione e ai film di fantascienza. Forse perché già vivevo storie dell'orrore a lavoro, quando semplici errori si trasformavano in disastri da incubo nella fase di produzione dei PCB.

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Quando ho iniziato la mia carriera di progettista elettronico, i componenti a foro passante erano più diffusi di quelli a montaggio superficiale. Quando il QFP (Quad Flat Package) o i microcontrollori (MCU) sono diventati di moda, non ho avuto altra scelta se non abbandonare i PLCC (Plastic Plug-in Chip Carrier). Questo perché il supporto PLCC richiede un socket aggiuntivo, mentre il package QFP può essere montato direttamente sul circuito. Ho capito che sarebbe stata solo una questione di tempo prima che i produttori di chip smettessero di produrre microcontrollori nei contenitori PLCC e passassero al QLF o a package simili.

L’incubo è cominciato un giorno, quando i miei produttori mi scrissero via e-mail, dicendomi che non potevano più assemblare i microcontrollori sulle 200 schede di produzione che avevo ordinato. Abituato ai socket PLCC, che sono componenti a fori passanti, non avevo pensato di indicare i fiducial marker sul PCB. Questo comporta dover assemblare manualmente tutti i microcontrollori QFP con pitch minuscoli. 

Il risultato è stato un gran numero di schede rifiutate e ore e ore passate a rimediare a errori dovuti a saldature manuali difettose. Da allora, mi sono sempre assicurato di usare fiducial marker per PCB nei miei progetti, anche quando i miei fornitori mi assicurano di aver aggiornato le loro macchine per farle funzionare senza di essi. Imparare a piazzare i marker non è stato per nulla facile, ma so che non ripeterò più lo stesso errore!

Cos’è un fiducial marker e perché è importante nella produzione?

Nel mondo della progettazione di circuiti stampati, un fiducial marker, o fiduciale, è una forma arrotondata di rame che serve come punto di riferimento per le macchine di assemblaggio pick-and-place. I fiduciali consentono alle macchine di riconoscere l'orientamento della scheda e di montare componenti a montaggio superficiale in package con pitch minuscoli come Quad Flat Package (QFP), Ball Grid Arrays (BGA) o Quad Flat No-Lead (QFN).

Sono due i tipi di fiducial marker usati solitamente nei progetti PCB: i fiducial marker globali e quelli locali. I fiducial globali sono in rame, posizionati sul bordo del PCB, e permettono alla macchina di determinare l'orientamento della scheda su un asse X-Y. Le macchine di posizionamento utilizzano i fiducial anche per compensare qualsiasi deviazione del PCB durante il posizionamento.

I fiducial marker locali sono in rame e posti all'esterno dell'angolo di un componente SMD quadrato. Vengono utilizzati dalle macchine di posizionamento per localizzare con precisione l'impronta di un componente e per ridurre gli errori di posizionamento in fase di produzione del PCB. Questo è importante specialmente se il progetto contiene componenti con una piccola spaziatura e di grandi dimensioni in contenitori quadrati.

Verifica sempre con il produttore i requisiti dei fiducial marker per evitare problemi in fase di produzione del PCB.

I fiducial marker sono necessari nella moderna tecnologia di produzione?

Ho sempre progettato i miei PCB con fiducial sia globali che locali. Tuttavia, quando lessi un articolo che descriveva la possibilità di omettere i fiducial locali, ne rimasi affascinato. Omettere i fiducial sui PCB più piccoli voleva dire massimizzare lo spazio a disposizione per le tracce.

Grazie ai progressi della tecnologia di produzione, i fiducial locali possono essere omessi a determinate condizioni. Su schede più piccole, le moderne macchine di assemblaggio possono posizionare i componenti SMD utilizzando esclusivamente i fiducial globali, ma è possibile ometterli anche su componenti che hanno una spaziatura dei pin più grande. Le macchine di ultima generazione sono in grado, ad esempio, di posizionare con precisione i componenti SMD con un passo di 1,0 mm e superiore.

Detto questo, è molto importante parlare delle prestazioni delle macchine con il produttore prima di rimuovere i fiducial locali dal progetto. L’esperienza mi ha purtroppo insegnato che non tutti i produttori hanno macchine dotate delle più recenti tecnologie. I fiducial globali, invece, non dovrebbero mai essere omessi, anche quando si utilizzano i sistemi più avanzati di produzione PCB.

Linee guida nell'uso dei fiducial nella progettazione PCB

Tra tutte le fasi della produzione dei PCB, la fase d’assemblaggio è una delle più delicate. Per questo è molto utile avvalersi dell’aiuto offerto dai fiducial.

Per ottenere il massimo dalla macchina di assemblaggio, è necessario impostare correttamente i fiducial. Ci sono alcune importanti linee guida da seguire per impostarli correttamente nel progetto.

1. Il fiducial viene creato ponendo uno strato di rame non forato in una forma circolare. Non ci devono essere maschere di saldatura sul fiducial.

2. La dimensione ottimale dei fiducial marker è compresa tra 1 mm e 3 mm. Occorre lasciare un’area vuota simile al diametro del fiducial.

3. Per ottenere la massima precisione, 3 fiducial globali devono essere posizionati sul bordo del PCB. Se non c'è abbastanza spazio, è necessario almeno un fiducial globale.

4. Il fiducial marker deve essere posizionato ad almeno 0,76 cm (0.3 pollici) dal margine della scheda, senza contare la zona libera intorno al fiducial.

5. Per quanto riguarda i fiducial locali, ne devono essere posizionati almeno due, diagonalmente l'uno di fronte all'altro sul margine esterno del componente SMD.

6. Più grande è la scheda, più i disallineamenti angolari durante la produzione saranno limitati. Questo perché è più facile rilevare anche le minime deviazioni angolari quando la distanza tra i fiducial è maggiore.

Un’osservazione sulla dimensione dei fiducial marker

Le dimensioni dei fiducial variano solitamente da 1 a 3 mm, ma la dimensione corretta dipende dalle macchine di assemblaggio utilizzate dal produttore. Alcuni produttori consigliano di aggiungere tre fiducial sul PCB agli angoli della scheda. Questo fornisce due misure di allineamento angolare, permettendo alla macchina pick-and-place di dedurre l'orientamento corretto. Alcuni produttori preferiscono indicare una dimensione specifica a seconda delle macchine di assemblaggio utilizzate. In generale, il diametro dell'apertura della maschera di saldatura deve essere il doppio del diametro del rame nudo per il fiducial, sebbene alcuni produttori preferiscano che l'apertura sia il triplo del diametro del fiducial. Inoltre, la dimensione dei fiducial sulla stessa scheda (sia globali che locali) deve essere uniforme e non superare i ~25 micron.

Se assembli una scheda a due layer, i fiducial dello strato superiore e inferiore devono essere posizionati uno sopra l'altro. Si pensa spesso che il posizionamento dei fiducial debba essere speculare, eppure nessun produttore lo ha mai affermato nelle sue linee guida. Le dimensioni dei fiducial dello strato superiore e inferiore devono essere le stesse, inclusa l'apertura della maschera di saldatura.

Due tipiche dimensioni del fiducial e consigli per l'apertura della maschera di saldatura.

I fiducial locali sono generalmente piccoli, intorno a 1 mm, con un'apertura di 2 mm per la maschera di saldatura. Tuttavia, presta attenzione alla regola D-3D illustrata nell'immagine precedente, poiché il produttore potrebbe preferire un’apertura più grande. Comunque, la dimensione del fiducial locale è generalmente intorno al millimetro, per permettere lo sbrogliamento delle tracce e lasciare spazio agli altri componenti. Per i componenti di piccole dimensioni, come un resistore 0201 o un BGA di dimensione chip, la macchina di assemblaggio sarà abbastanza precisa da non richiedere un fiducial locale e saprà esattamente dove posizionare i componenti in fase di produzione del PCB.

Non c'è nulla di male nel controllare se le dimensioni del fiducial e l'apertura della maschera di saldatura sono corrette prima di inviare il progetto al produttore. I fiducial sono classificati come meccanici nella scheda e non sono collegati a nulla, quindi è facile modificare il footprint per un fiducial personalizzato e posizionarne uno nuovo se necessario. Se i fiducial non sono correttamente dimensionati, alcuni produttori potrebbero correggerli per te.

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