Linee guida DFA per un design PCB efficiente

Ogni PCB che vuole diventare un dispositivo reale dovrà essere assemblato con un'elevata resa. È necessaria una pianificazione strategica per garantire che la scheda possa essere assemblata correttamente al primo tentativo. La comprensione di alcune linee guida di base per la DFA (Design for Assembly) può aiutare a garantire che il tuo progetto superi l'assemblaggio produttivo con difetti minimi e senza bisogno di lavorazioni aggiuntive.

In questo articolo, copriremo i seguenti punti:

• Perché la DFA è importante nella progettazione dei PCB?
• Obiettivi della DFA
  • Standardizzazione
  • Validazione dei Componenti
  • Riduzione degli Errori di Assemblaggio
• Standard DFA
  • Orientamento dei Componenti con Marcature di Polarità
  • Requisiti di Spaziatura
  • Standard di Assemblaggio IPC
• Difetti Comuni di Assemblaggio
  • Tombstoning
  • Ponticelli di Saldatura
  • Sfere di Saldatura
  • Vuoti di Saldatura
• Metodi di Ispezione
  • Ispezione Ottica Automatica (AOI)
  • Ispezione a Raggi X

La DFA è un processo che consiste in tre fasi. Nella prima fase, si prende in considerazione il design del layout della scheda. Durante questa fase, si tengono in conto la distanza tra i componenti, la direzione della saldatura e la riduzione dei costi di assemblaggio. Nella fase successiva, i file Gerber o ODB++ vengono validati per le distanze e l'orientamento dei componenti, le impronte e i vari metodi di pulizia. Nell'ultima fase, vengono identificati i requisiti per la saldatura ad onda, la saldatura a riflusso e la saldatura manuale.

 

Obiettivi della DFA

Standardizzazione

Ogni progettista di schede avrà difficoltà a prevedere le sfide che potrebbero sorgere durante il lavoro su un nuovo design di PCB. L'obiettivo principale della standardizzazione è ridurre il livello di incertezza utilizzando parti e tecniche che hanno funzionato in precedenza. Di seguito sono riportati un paio di modi per garantire la massima standardizzazione nel tuo design:

• Verifica attentamente la fonte di ogni componente per assicurare l'autenticità dei componenti. Le fonti non autorizzate aumentano il rischio di ritardi, disinformazione e parti contraffatte.
• Cerca di ridurre il numero di pacchetti di componenti unici per facilitare il processo di progettazione per l'assemblaggio e minimizzare errori potenziali. Ad esempio, se ci sono discrepanze tra l'impronta e il pattern di atterraggio, gli aggiustamenti necessari al layout saranno compiuti più rapidamente poiché il design avrà meno pattern di atterraggio unici.

Validazione dei Componenti

Uno degli obiettivi primari della DFA è validare i componenti che vanno sulla scheda. Segui le linee guida menzionate di seguito per aiutare il tuo produttore ad assemblare efficientemente la tua scheda:

 

Riduzione degli Errori di Assemblaggio

La DFA si concentra principalmente sull'eliminazione dei potenziali errori di assemblaggio che possono verificarsi. Oltre ai punti discussi sopra, i punti sottostanti consentono ai produttori di fabbricare schede elettroniche con la funzionalità desiderata.

• Attieniti a dimensioni, spaziature e tolleranze per i fori trapanati che rientrano nelle capacità del tuo fabbricante. Questo garantisce anche la fabbricabilità del design della tua PCB.
• Segui le distanze di sicurezza e le tolleranze che sono entro le capacità del tuo CM. 
• Segui le regole di distanza dal bordo della scheda.
• Assicura che la forma della scheda permetta una panelizzazione ottimale.
• Incorpora i rilievi termici dove necessario.

Standard DFA

Come discusso nelle sezioni precedenti, conoscere gli standard DFA ti aiuta a progettare una scheda in modo efficiente e conveniente. In questa sezione, ti guideremo attraverso alcune norme DFA critiche.

Orientamento dei Componenti con Marcature di Polarità

L'orientamento dei componenti è uno dei fattori più importanti da considerare durante la fase di pre-assemblaggio. Per un assemblaggio senza problemi, è essenziale seguire tecniche chiare ed esplicite di orientamento. Prendiamo ad esempio i diodi, che avranno una certa polarità definita. Assicurati che il simbolo schematico e la serigrafia abbiano un'indicazione di polarità adeguata che sarà visibile dopo il posizionamento. Questo renderà il processo di ispezione più facile, e rende il test o il debug più semplice.

 

Il simbolo può essere posizionato tra i due pin per i componenti through-hole, ma dovrebbe essere collocato accanto al dispositivo per i componenti surface-mount. Poiché questi simboli possono occupare molto spazio, una barra sopra il pad del catodo o un semplice indicatore di A (anodo) o K (catodo) sarebbe sufficiente per le schede HDI. 

Sempre raggruppare componenti simili e cercare di posizionarli con la stessa orientazione se possibile. Questo facilita un processo di assemblaggio rapido. Ad esempio, tutti i QFP possono essere posizionati in fila con il pin 1 nello stesso angolo per ogni IC.

 

Requisiti di Spaziatura

La distanza tra i componenti influisce sui tempi richiesti dal processo di assemblaggio PCBA. In questa sezione, esamineremo gli standard di spaziatura raccomandati per garantire la qualità del processo di assemblaggio.

Spaziatura Parte-Bordo

La spaziatura parte-bordo è la distanza tra un dato componente sulla scheda e il suo bordo. Questo fattore gioca un ruolo importante durante la depanelizzazione. Durante questo processo, i componenti vicino al bordo della scheda saranno soggetti a stress che potrebbe influire sui giunti di saldatura. Raccomandiamo una distanza di sicurezza di 125 mil tra il bordo della scheda e l'SMD posizionato sul lato superiore del circuito stampato, ma il vostro fabbricante potrebbe fornire tolleranze diverse nel loro processo.

A volte, i produttori aumentano ulteriormente la spaziatura componente-bordo sul lato inferiore della scheda. Questo riduce la possibilità di danni ai componenti SMT durante l'applicazione della pasta saldante.

Le tracce di rame possono anche essere posizionate più vicino al bordo della scheda. Questo permette un intervallo per la maschera di saldatura e previene l'invadenza del pad. Le tracce, il riempimento di rame e le parti inserite manualmente devono essere distanziate almeno 10 mils dal bordo della scheda. I fori castellati sono un tipo di progettazione che richiede la placcatura di rame sul bordo della scheda. Per ottenere la placcatura di rame desiderata, tali progetti richiederanno spese aggiuntive e più tempo.

 

Distanza tra Parti e Fori

La distanza tra parti e fori dovrebbe essere considerata sia per i via sia per i componenti passanti. Determina la distanza minima tra un pad/componente e i fori. Tale distanza consiste in due fattori specifici che devono essere soddisfatti per ottenere un assemblaggio di alta qualità.

• Distanza parte-parete del foro: Questa è misurata dal bordo effettivo del foro al bordo del pad. È anche nota come distanza trapano-rame. La distanza minima richiesta è di circa 8 mils.
• Distanza parte-anello anulare: Questa è misurata dal bordo dell'anello anulare del foro al bordo del pad. La distanza minima richiesta è di circa 7 mils.

 

Standard di assemblaggio IPC

Ecco alcuni degli altri standard di assemblaggio IPC a cui il tuo CM si attiene durante l'assemblaggio delle schede.

• IPC-A-600: L'IPC-A-600, comunemente noto come IPC-600, specifica il livello di criteri di accettazione per ogni categoria di prodotto. Definisce i requisiti desiderabili, permessibili e non negoziabili delle schede. 
• IPC/WHMA-A-620C: Descrive lo standard per materiali, procedure, test e criteri di accettabilità per gli assemblaggi di cavi e cablaggi. 
• IPC-A-630: Definisce gli standard per gli involucri elettronici. Questo standard viene impiegato quando il tuo CM assembla e svolge il processo di ispezione.

Difetti di Assemblaggio Comuni

Questa sezione dettaglia i difetti e i problemi che si verificano più frequentemente durante la PCBA. I produttori impiegano molti metodi di controllo della qualità per evitare questi difetti, e alcuni di questi metodi sono menzionati nelle sottosezioni qui sotto.

Tombstones

Un tombstone, noto anche come effetto Manhattan, si riferisce al caso in cui un componente SMD è parzialmente o completamente staccato dal suo pad di atterraggio. Questo è più comune nei piccoli passivi SMD (pacchetti 0603 o più piccoli) e si verifica a causa di squilibri di forza durante la saldatura di rifusione.

Metodi per prevenire il tombstoning:

• Assicurati un'elevata precisione dei componenti e una alta temperatura di pre-riscaldamento.
• Evita esposizioni a temperature e umidità elevate.
• Estendi la zona di ammollo per bilanciare la forza di bagnatura su entrambi i pad prima che la pasta raggiunga lo stato fuso.

 

Ponticelli di Saldatura

Il ponticello di saldatura si verifica quando la saldatura viene applicata tra due conduttori che non dovrebbero essere collegati elettricamente. Questi collegamenti indesiderati sono definiti cortocircuiti.

Modi per prevenire i ponticelli di saldatura:

• Assicurati che il contenuto di metallo nella pasta saldante sia almeno del 90%.
• Allinea accuratamente le aperture dello stencil e riducine le dimensioni del 10%.
• Assicura un profilo di rifusione appropriato.

 

Palline di Saldatura

Le palline di saldatura sono il difetto più comune che si verifica durante l'assemblaggio surface-mount. Si tratta dello sviluppo di piccole particelle sferiche di saldatura che si isolano dal corpo principale che forma la giunzione. Questo rappresenta una preoccupazione per un processo no-clean poiché molte palline di saldatura possono formare un ponte tra due terminali adiacenti. Ciò comporta problemi funzionali alla scheda.

Modi per prevenire la formazione di palline di saldatura:

• Le dimensioni dei pad e gli spazi dovrebbero essere progettati secondo il datasheet.
• Prima della stampa della pasta saldante, cuoci la scheda.
• Assicurati che lo spessore della metallizzazione dei fori sia maggiore di 25μm, ciò previene il trattenimento dell'acqua.

 

Vuoti di Saldatura

Gli spazi vuoti o i fori all'interno della giunzione saldata sono noti come vuoti di saldatura. Un vuoto di saldatura si crea quando non c'è abbastanza stagno disponibile per stabilire una connessione. Il vuoto di saldatura è tipicamente costituito da aria.

Modi per prevenire i vuoti di saldatura:

• Aumentare il canale di degassamento, permettendo ai gas di sfuggire dalla scheda.
• Provare ad utilizzare pasta saldante senza piombo.

 

Metodi di Ispezione

Una volta che la scheda circuitale è popolata, i produttori possono eseguire molteplici procedure di ispezione e controllo qualità.

Ispezione Ottica Automatica (AOI)

L'ispezione ottica automatica (AOI) è un metodo efficiente e accurato per rilevare errori di assemblaggio dei PCB prima che le schede lascino lo stabilimento di produzione. Questo metodo utilizza telecamere ad alta risoluzione e software avanzato di elaborazione delle immagini per identificare errori di assemblaggio come componenti mancanti o mal posizionati, ponti di saldatura, palline di stagno o tombstones.

 

Ispezione a Raggi X

AXI (ispezione automatica a raggi X) è un approccio popolare per rilevare difetti nascosti in IC e BGA. La fonte di scansione in questo sistema è un raggio X. Può essere utilizzato per identificare grandi vuoti e fratture. Questo approccio consente un accesso non distruttivo a geometrie interne e composizioni strutturali. AXI cattura immagini allo stesso modo di AOI. L'unica differenza è che AOI effettua scansioni con una fonte luminosa, mentre AXI utilizza i raggi X.

Le linee guida DFA sono destinate a garantire un'elevata resa e un minimo di lavorazioni aggiuntive dopo l'assemblaggio. Puoi implementare queste e molte altre linee guida DFA prima di procedere alla produzione utilizzando il motore DRC in Altium Designer. Dopo aver consultato il tuo produttore, puoi programmare i vincoli sopra elencati nelle regole di progettazione del tuo PCB per assicurarti di poter individuare e correggere rapidamente gli errori. Una volta che il tuo progetto è pronto per una revisione del design approfondita e per la produzione, il tuo team può condividere e collaborare in tempo reale attraverso la piattaforma Altium 365. I team di progettazione possono utilizzare Altium 365 per condividere dati di produzione e risultati dei test, e le modifiche al design possono essere condivise attraverso una piattaforma cloud sicura e in Altium Designer.

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