Output di assemblaggio PCB

Quando si completa un progetto PCB, l’obiettivo è normalmente farlo fabbricare e assemblare. È responsabilità del progettista preparare gli output di assemblaggio PCB insieme al progetto e fornirli al produttore. Il produttore utilizzerà questi output per approvvigionare i componenti, pianificare il processo di assemblaggio ed eseguire un’ispezione finale. I requisiti di assemblaggio devono essere dettagliati, in modo da fornire all’assemblatore tutte le informazioni necessarie per completare la realizzazione della PCBA.

Prima di arrivare all’assemblaggio, la scheda deve essere progettata applicando le migliori pratiche DFA. In caso contrario, se i PCB vengono fabbricati prima di una revisione da parte dell’assemblatore, c’è il rischio che debbano essere scartati. Ci sono molte ragioni per cui questo accade, ma il giusto software ECAD per la progettazione PCB aiuterà i progettisti a evitare alcuni degli errori di assemblaggio più comuni.

Elenco degli output di assemblaggio PCB

Al livello più basilare, i due file di output standard per l’assemblaggio PCB sono la distinta base e il file pick-and-place. La distinta base è un documento di acquisto che specifica quale componente corrisponde a ciascun reference designator sul PCB, mentre il file pick-and-place indica dove deve essere posizionato ciascun reference designator per la saldatura. Con questi due file e una breve descrizione del PCB, o anche senza alcuna descrizione, un produttore può assemblare completamente una PCBA.

I professionisti e le aziende generalmente creano un terzo output standard di progettazione: il disegno di assemblaggio. Un disegno di assemblaggio contiene tipicamente:

• Il profilo del PCB e le dimensioni della scheda
• Profili dei componenti lato superiore e lato inferiore
• Reference designator dei componenti
• Indicatori di polarità e orientamento dei componenti
• Indicatori del pin 1 per circuiti integrati e connettori
• Ferramenta meccanica e posizioni di montaggio
• Viste di dettaglio per aree dense o complesse
• Note di assemblaggio, richiami e istruzioni speciali di produzione
• Informazioni di revisione, numeri di disegno e informazioni del cartiglio

Le note di assemblaggio sono importanti perché definiscono requisiti che potrebbero non essere evidenti dal layout PCB, dalla distinta base o dai dati pick-and-place. Queste note possono specificare la conformità RoHS, la conformità agli standard IPC applicabili, l’uso di specifiche leghe di saldatura o tipi di pasta saldante, i requisiti di pulizia, i criteri di ispezione e processi speciali come underfill, conformal coating, fissaggio meccanico o applicazione di adesivo. Note di assemblaggio chiare riducono le ambiguità e aiutano a garantire che la PCBA finita soddisfi i requisiti meccanici, elettrici e normativi del progettista.

Molti nuovi progettisti non creano disegni di assemblaggio perché il loro software CAD non aiuta ad automatizzare il processo. Anche alcuni software enterprise, come OrCAD e Xpedition, non hanno la capacità di creare automaticamente un disegno di assemblaggio. Queste piattaforme possono fare affidamento su altri software con licenza separata per eseguire questa attività fondamentale.
Altium Designer è diverso perché include lo strumento Draftsman, che consente ai progettisti di creare automaticamente disegni di assemblaggio di alta qualità in pochi minuti. Gli utenti possono creare modelli personalizzati e formati di foglio che forniscono il pieno controllo sul formato del disegno di assemblaggio. Gli utenti possono anche inserire funzionalità aggiuntive in un disegno di assemblaggio, ad esempio incorporando la BOM, aggiungendo note e richiami e includendo i parametri di progetto per aggiornamenti immediati del disegno.

Se non si desidera usare lo strumento per generare un disegno di fabbricazione o di assemblaggio, esiste comunque un modo per creare questi disegni all’interno di un file di layout PCB. Una pratica comune consiste nell’utilizzare i layer meccanici del layout PCB per disegnare manualmente le caratteristiche del disegno di fabbricazione e di assemblaggio. In questo modo, anche gli aggiornamenti al layout PCB si riflettono immediatamente nel disegno di assemblaggio. Per produrre il disegno di assemblaggio, è necessario compilare i seguenti layer in un file DXF o in una stampa PDF:

• Layer meccanici con cartiglio e note di assemblaggio
• Layer del profilo PCB
• Layer top e bottom della paste mask
• Layer top e bottom di assemblaggio
• Eventuali layer meccanici aggiuntivi che mostrano maschera removibile, conformal coating, posizioni dell’adesivo e altri requisiti speciali di assemblaggio

È anche comune includere viste isometriche del PCB generate da un disegno 3D. Tuttavia, i layer meccanici e gli strumenti di layout PCB normalmente non possono generare viste isometriche, quindi queste devono essere create in un’applicazione MCAD esterna a partire da un modello 3D della PCBA. La vista verrebbe normalmente esportata come file DXF dall’applicazione MCAD e reimportata nel file di layout PCB su un layer meccanico. Tuttavia, Altium Draftsman può generare viste isometriche direttamente dal file documento PCB senza richiedere l’esportazione verso un’applicazione MCAD.

Output intelligenti di progettazione PCB

Un’altra opzione per creare output di progettazione PCB per l’assemblaggio consiste nell’utilizzare formati di output intelligenti. Questi formati di file sono ODB++ e IPC-2581.

Sebbene gli output intelligenti di progettazione PCB siano oggettivamente migliori per fabbricazione e assemblaggio, non vengono utilizzati con la stessa frequenza dei file Gerber. I Gerber restano ancora lo standard de facto per i dati di fabbricazione, quindi un progettista dovrà comunque generare anche una distinta base e i dati pick-and-place per l’assemblaggio. Per assicurarti la più ampia gamma di opzioni per l’assemblaggio PCB, utilizza un software di progettazione PCB come Altium Designer, che supporta tutti e tre i pacchetti di output standard per la progettazione PCB.

Una DFA efficace previene i difetti di assemblaggio PCB

Quando si assemblano prototipi PCB, il livello di servizio del fornitore include in genere un margine sufficiente per gestire eventuali rilavorazioni del PCB. Tuttavia, quando si passa a volumi più elevati, prevenire i difetti ed evitare le rilavorazioni necessarie diventano aspetti critici del controllo dei costi. In questa fase le pratiche DFA diventano ancora più importanti e riguardano pratiche di progettazione di base che si verificano nel layout PCB e nelle librerie PCB.

Per implementare con successo pratiche DFA per un assemblaggio PCB ad alta resa, i progettisti devono sfruttare il proprio software ECAD e le informazioni del proprio assemblatore come segue:

• Progettazione del footprint dei componenti PCB
• Definizione dei vincoli di assemblaggio come regole di progettazione PCB
• Esame del PCB in una revisione di assemblaggio

Progettazione del footprint PCB nella DFA

La geometria del footprint è il punto in cui la DFA ha successo o fallisce a livello di componente. Un footprint che non corrisponde alle capacità di processo dell’assemblatore introduce un rischio di difetti indipendentemente da quanto bene sia eseguito il resto del layout. Dimensioni dei pad, spaziature del courtyard, aperture della solder mask e geometria del land pattern influiscono direttamente sulla precisione di posizionamento, sulla formazione del giunto di saldatura e sull’accesso per l’ispezione post-reflow.

Per i package SMD standard, IPC-7351 fornisce una base di riferimento, ma il processo specifico dell’assemblatore, che si tratti di wave soldering, reflow o saldatura selettiva, determinerà quale variante di land pattern sia appropriata. Utilizzare, ad esempio, il land pattern nominale o con il courtyard più esteso quando l’assemblatore opera con un profilo ad alta densità è un disallineamento comune che produce ponti di saldatura o filetto insufficiente sul tallone.

Questo footprint è progettato per implementare le migliori pratiche DFA nella saldatura del pad centrale al fine di prevenire la risalita della saldatura e lo spostamento durante la saldatura.

Regole di progettazione PCB per la DFA

Per garantire una DFA coerente, applica le linee guida tramite regole di progettazione automatizzate anziché con ispezione manuale. Ottieni i valori di vincolo specifici direttamente dal tuo assemblatore PCB, ad esempio spaziatura tra componenti, rapporti di apertura della pasta saldante e tolleranze. Non fare affidamento sui valori predefiniti IPC generici, poiché potrebbero non allinearsi alle capacità del tuo assemblatore, in particolare per i componenti a passo fine.

Applica direttamente i vincoli forniti dall’assemblatore nel sistema di regole di progettazione del tuo software PCB per prevenire difetti di assemblaggio. Questo include la definizione di regole per la distanza del courtyard dei componenti, l’espansione della paste mask e la registrazione della solder mask, assicurando che il controllo delle regole di progettazione intercetti i problemi potenziali prima della fabbricazione.

• Distanza minima tra componenti del courtyard, ricavata dalla documentazione sulle capacità dell’assemblatore
• Espansione della solder mask per tipo di pad, distinguendo le definizioni di pad SMD da quelle NSMD
• Valori minimi del rapporto di area dell’apertura della pasta, tipicamente 0,66 o superiore per un rilascio affidabile della pasta
• Limiti di keepout pick-and-place vicino ai bordi della scheda e ai fori di tooling
• Regole via-in-pad per pattern di pad termici, inclusi i requisiti di tenting o riempimento

All’interno di Altium Designer, ciascuno di questi vincoli può essere implementato utilizzando il PCB Design Rules and Constraints Editor, oppure il più recente Constraint Manager. Gli utenti di piattaforme come Cadence OrCAD/Allegro e Siemens PADS/Xpedition avranno maggiore familiarità con l’interfaccia Constraint Manager, che facilita la transizione verso l’interfaccia di progettazione più potente di Altium Designer.

Revisione dell’assemblaggio PCB

I fattori elencati sopra vengono implementati principalmente durante la fase di layout PCB e diventano fisici durante l’assemblaggio. Purtroppo, se non si effettua una revisione dell’assemblaggio prima della fabbricazione, è possibile che venga prodotto un PCB non ottimale che non si allinea completamente alle capacità DFA. In schede più semplici con componenti SMD di grandi dimensioni o fori passanti grandi, questo potrebbe non essere un problema. Ma nei PCB densi, nei PCB HDI, o nei PCB flex/rigid-flex, il mancato rispetto dei vincoli dell’assemblatore porterà probabilmente a difetti nell’assemblaggio PCB.

Per questo motivo, i progettisti dovrebbero valutare l’invio dei propri dati di fabbricazione a un assemblatore PCB per una revisione. Questo può aiutare a identificare semplici problemi di progettazione che causerebbero difetti, e questi possono essere corretti prima che le schede nude vengano fabbricate. Se ciò non viene fatto, in particolare nella produzione in volume, bisogna aspettarsi difetti, rilavorazioni e perfino PCB scartati.

Per saperne di più sugli output di assemblaggio PCB come parte di un pacchetto di produzione completo, guarda il video qui sotto.

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Domande frequenti

Quali file sono necessari per l'assemblaggio di un PCB?

Il pacchetto minimo per l'assemblaggio di un PCB include una distinta base e un file pick-and-place. I pacchetti professionali per la produzione dovrebbero includere anche un disegno di assemblaggio con le posizioni dei componenti, gli indicatori di orientamento, i dettagli meccanici, le informazioni di revisione e le note di assemblaggio.

Quali informazioni dovrebbero essere incluse in un disegno di assemblaggio PCB?

Un disegno di assemblaggio PCB dovrebbe mostrare il profilo della scheda, le dimensioni, i contorni dei componenti, i designatori di riferimento, i contrassegni di polarità, gli indicatori del pin 1, l'hardware di montaggio e le viste di dettaglio. Dovrebbe inoltre includere note di assemblaggio, requisiti di processo speciali, numeri di disegno e informazioni di revisione.

Come si crea un disegno di assemblaggio PCB in Altium Designer?

In Altium Designer, i progettisti possono utilizzare Draftsman per generare automaticamente viste di assemblaggio a partire dal documento PCB. Draftsman supporta anche modelli personalizzati, tabelle BOM, note, richiami, parametri di progetto e viste isometriche della scheda.

Qual è la differenza tra ODB++ e IPC-2581?

ODB++ è un formato proprietario intelligente per i dati PCB, mentre IPC-2581 è uno standard IPC aperto e indipendente dal fornitore, basato su XML strutturato. Entrambi possono combinare dati di fabbricazione, assemblaggio, componenti, connettività, stackup, test e ispezione in un unico pacchetto di produzione.