I 5 migliori consigli per la progettazione orientata alla produzione del 2019

Di recente, mentre navigavo in un importante blog dell'industria elettronica, mi sono imbattuto in un articolo sui 10 principali errori di 'progettazione per la produzione'. Ho letto l'articolo pensando che potesse essere interessante e innovativo, ma con mia sorpresa, era sostanzialmente una copia-incolla di un articolo che avevo letto 10 anni fa, che a sua volta era un riadattamento di un articolo quasi 10 anni più vecchio. Non sono un fan del rielaborare vecchi articoli e etichettarli come contenuto 'nuovo', poiché è un modo primario di creare e perpetuare false regole empiriche o peggio, 'best practice' industriali non valide. L'industria elettronica cambia così rapidamente che la maggior parte dei contenuti scritti più di un decennio fa è ora obsoleta. Diamo un'occhiata ad alcuni dei principali errori menzionati in questi articoli e facciamo luce su di essi, poi consideriamo alcuni veri consigli top che sono rilevanti per gli standard industriali di oggi.

Errori Principali negli Errori Principali

Evitare Angoli Acuti

Siamo nella seconda metà del 2019; ci troviamo in un'epoca in cui persino i PCB prototipo più economici e banali vengono sottoposti a un controllo con sonda volante per scartare le schede che presentano qualsiasi difetto elettrico, anche se il problema era nel processo di incisione. L'errore principale che un vecchio articolo che ho letto ci avvertiva di evitare erano gli angoli acuti, perché possono creare trappole per l'acido. Se stai utilizzando un trasferimento di toner e incisione casalinga, questo potrebbe essere vero, ma con i metodi di produzione moderni, questo non sarà un problema.

Le soluzioni di incisione fotoattivate utilizzate su schede con strati resist fotoattivati sono molto comuni nelle fabbriche di schede. Questi agenti incisivi conferiscono caratteristiche nitide e precise, e se l'agente incisivo si raccoglie, non riceverà abbastanza luce per attivarsi. Puoi persino utilizzare strati resist fotoattivati facilmente anche a casa. I processi di incisione contemporanei rendono le trappole per acido molto meno rischiose di quanto non lo siano mai state in passato.

Evita Via-in-Pad

Sono generalmente d'accordo sul fatto che l'uso di via-in-pad sia un errore. Tuttavia, l'articolo ha utilizzato un esempio in cui il via-in-pad avrebbe dovuto essere usato per motivi termici. Molti dispositivi ad alta corrente richiedono il via-in-pad al punto che il produttore lo raccomanda per l'impronta. È l'unico modo per poter dissipare efficacemente il calore dal pacchetto.

L'articolo sosteneva che se si usa un via-in-pad, questo assorbirà tutto lo stagno lasciando un giunto a secco. Questo è vero al 100%; l'azione capillare effettivamente attirerà lo stagno attraverso il via, tuttavia, coprendo il via su entrambi i lati si previene completamente questo problema. In casi specifici, se davvero non si vuole nessuna maschera di saldatura sul pad, si può coprire solo il lato opposto del via rispetto al pad. Questo metodo funziona in modo affidabile per i via fino a 0.4mm, ma se si è ancora esitanti, si può aggiungere un po' di serigrafia anche sul via sul lato opposto, assicurando così che il via sia completamente sigillato.

Per inciso, non devi stare attento solo alle vie sui pad. Se posizioni una via che non è stata coperta (tented) molto vicino a un pad, potrebbe anche aspirare la saldatura dal tuo pad.

Evita di Usare Più Dimensioni di Utensili

L'articolo sosteneva che se il tuo produttore deve lavorare con tolleranze incredibilmente strette, l'utilizzo di una moltitudine di dimensioni di fori simili, ma non esattamente identiche sulla tua scheda potrebbe aumentare il costo della tua scheda. Tuttavia, uno sguardo alla tecnologia di foratura di oggi mostra che questa è ben lontana dalla verità. I magazzini degli utensili nei trapani PCB industriali contengono praticamente ogni dimensione di micro trapano conosciuta dall'uomo, e i cambi di utensile sono incredibilmente rapidi. Anche se tutti i fori da 13,5mil e 14mil sono forati con le loro punte di dimensione esatta, potrebbe richiedere solo un secondo o due in più per foglio di PCB. Generalmente, il fabbricante della scheda arrotonderà tutti questi fori a una dimensione purché il dimensionamento rientri nei loro requisiti di tolleranza o nelle tolleranze che hai specificato su un disegno.

Lo stesso vale per le scanalature in un PCB. Non ho trovato una fabbrica di PCB che mi penalizzi per l'uso di scanalature molto piccole (30-40mil) o che specifichi un percorso di fresatura separato per quadrare gli angoli da un utensile più grande su una scanalatura con una fresa da 20mil.

Evitare la Serigrafia sui Pad

Evitare che la serigrafia di un componente finisca sul pad di un altro può essere impossibile per una scheda con tracce molto vicine. Nella mia libreria Altium, utilizzo sia un punto di designazione del pin 1 in serigrafia sia una caratteristica in serigrafia sotto il componente, dove possibile, per rendere facile capire l'orientamento per questa esatta ragione. Non ho ancora trovato una fabbrica di PCB, economica o costosa, che non pulisca automaticamente la serigrafia dai pad per te, o che almeno chieda se vuoi che lo facciano.

Se hai ricevuto una scheda con serigrafia su un pad, potrebbe certamente causare grossi problemi con la diffusione della saldatura su quel pad, che causerebbe una cattiva giunzione. Con i produttori di oggi, comunque, non è un problema che ho sperimentato.

Non Aggiungere la Maschera di Saldatura tra i Pad

Questo "errore" mi fa semplicemente scuotere la testa per lo stupore. Come si può dimenticare di aggiungere la maschera tra i pad su una scheda? Altium e praticamente ogni altro strumento di progettazione si prenderanno cura di questo per te. Molti componenti a passo fine hanno spazi di sgombero tra i pad che non permettono alcuna maschera di saldatura tra i pad. Tuttavia, ho visto Altium generare maschere tra i pad larghe 1/1000 di mil. Anche le regole di progettazione predefinite in Altium funzionano perfettamente per specificare la maschera di saldatura tra i pad.

Se la maschera tra i pad è troppo piccola, una buona azienda produttrice di schede ti avviserà prima di procedere, e un'azienda meno attenta semplicemente eliminerà la caratteristica e continuerà.

Impronte di Dimensioni Errate

Da anni ormai, pubblico una vasta libreria di database open source di componenti che ti permette di inserire parti reali e acquistabili nel tuo progetto al livello di cattura schematica. Con modelli 3D completi e accurati, e la vista 3D della scheda di Altium così come il controllo delle collisioni su corpi 3D, è molto difficile completare un progetto in cui le parti collidono. Ora puoi ottenere la stessa funzionalità su una gamma più ampia di componenti utilizzando Concord Pro, un prodotto aggiuntivo per Altium.

Sono passati almeno 5 anni da quando sono stato in grado di specificare erroneamente un componente nel mio elenco dei materiali che non si adatta all'impronta che ho posizionato sulla scheda. Relego questo "errore" a non aver utilizzato i migliori strumenti durante la progettazione, piuttosto che a un errore nel processo di progettazione stesso.

I miei consigli principali

Ora che abbiamo escluso una vasta gamma di "errori principali" degli anni passati, diamo un'occhiata ad alcuni consigli che potrebbero aiutarti se stai iniziando con la progettazione per la produzione.

Spazio libero intorno agli elementi di fissaggio

È molto facile posizionare un foro meccanico per un fissaggio e dimenticare di considerare quanto possa essere grande la testa di tale fissaggio. Qualcosa che è più grande, ma ironicamente più facile da dimenticare, è la rondella per quel fissaggio. Generalmente, posiziono una via con il foro di sgombero corretto per il fissaggio e specifico l'annulus (il cerchio di rame ad esso collegato) per essere della stessa dimensione della rondella più grande disponibile per quel fissaggio (dove esistono più standard di rondelle), più un po' di extra. Se davvero devi far passare una traccia sotto la testa del fissaggio e non puoi farlo in nessun altro modo, aggiungi un silkscreen solido sopra l'area del fissaggio come protezione extra per la tua traccia. La piccola quantità di protezione extra fornita dal silkscreen potrebbe essere ciò che salva la tua traccia dai danni quando qualcuno stringe troppo il fissaggio.

Per essere doppiamente sicuro, aggiungi un modello 3D del fissaggio alla tua scheda e montalo nel foro. Questo ti garantirà di poter inserire e rimuovere il fissaggio, e di non posizionare il corpo di un altro componente in modo da intralciare.

Distanza di Sicurezza del Rame dai Bordi della Scheda

Altium si prende cura di questo aspetto per te. Tuttavia, se hai ignorato le impostazioni predefinite per far passare una traccia, assicurati che non sia troppo vicina al bordo. Molti articoli online menzionano la corrosione come l'ostacolo indiscutibile quando si ottimizza la distanza di sicurezza del rame, perché non si vuole che il rame esposto e non placcato. Tuttavia, quando si fa passare una traccia sottile vicino al bordo della scheda, la fresa/end mill potrebbe scheggiare la traccia e distruggerla. Quando si utilizza il V-Scoring per separare le schede in un pannello, il punteggio occupa una certa larghezza e non è sempre perfettamente accurato, il che può facilmente danneggiare o rimuovere anche la traccia.

Dopo aver inserito le scanalature nella scheda, di solito faccio un ultimo controllo per cercare errori di distanza di sicurezza prima di inviare il mio lavoro. Ci sono stati momenti in cui per errore ho fatto passare una traccia su uno strato interno proprio attraverso una scanalatura. Nelle preferenze della tua scheda, imposta lo strato di fresatura sullo strato in cui hai i tuoi percorsi di fresatura così Altium renderizzerà le scanalature in vista 3D. Dopo ciò, copia lo strato di fresatura sul tuo strato di keep-out per assicurare che le regole di progettazione evidenzino eventuali problemi esistenti e prevengano quelli futuri.

Proteggi le tue Vias

Altium dispone di regole di progettazione per l'espansione della maschera di saldatura sui via, che possono essere utilizzate per il tenting, quindi sfruttatele. Qualsiasi dimensione inferiore a 15mil/0.4mm dovrebbe essere coperta. Al di sopra di tale misura, potreste considerare lo spessore della maschera di saldatura fornita dal vostro produttore di PCB. Un via completamente coperto e sigillato è positivo, poiché impedisce a materiali corrosivi come flusso, sporco e umidità di entrare nel foro e corrodere il via.

Quando il foro diventa troppo grande per essere completamente coperto, tentare di coprirlo potrebbe invece creare un foro maggiormente coperto che intrappola più facilmente ciò che si sta cercando di tenere fuori. In tali circostanze, è meglio utilizzare via non coperti e permettere alla placcatura di proteggere il foro. Mantenete comunque la distanza della maschera di saldatura attorno al foro piuttosto piccola, poiché non volete che il via diventi una potenziale sede per un cortocircuito.

Schede di alta specifica avranno probabilmente i via riempiti con epossidico durante la fabbricazione. Se state progettando queste, i consigli che abbiamo fornito probabilmente non sono rilevanti per voi, poiché siete ben oltre la necessità di qualsiasi suggerimento di progettazione per la fabbricazione!

Schede Double-Sided

Molti dei prodotti che progetto utilizzano schede a doppia faccia. Tuttavia, dovresti avere una buona ragione per passare al doppio strato. Se sei tentato di posizionare solo uno o due componenti passivi sul fondo della scheda, potresti causarti molti problemi quando arrivi all'assemblaggio. Impegnati completamente in un design a doppia faccia o rimani su un singolo lato. Se non hai una ragione valida per posizionare componenti su entrambi i lati delle schede, attieniti semplicemente allo strato superiore. Se le limitazioni di dimensione o le specifiche di densità della scheda richiedono una quantità significativa di componenti sul fondo, allora sia così.

Potresti anche considerare l'uso di componenti in package più piccoli per recuperare un po' di spazio sulla scheda. Per la maggior parte degli assemblatori, un componente 0402 non è impegnativo e sarà molto più economico che posizionare componenti su entrambi i lati della scheda. Molti assemblatori non avranno costi extra significativi o sprechi quando utilizzano passivi 0201, che possono darti una grande quantità di spazio libero anche se stai già utilizzando componenti 0402. Verifica con il tuo assemblatore prima di usare 0201 o più piccoli, poiché le macchine più vecchie potrebbero non essere in grado di gestirli in modo affidabile. Se l'assemblatore può gestire componenti più piccoli, è probabile che sia molto più economico che affidarsi all'assemblaggio su doppia faccia.

Verifica i Tuoi File di Output

Infine, e spero che questo sia scontato, assicurati che tutti i tuoi file di output siano presenti. Mi sono trovato in situazioni in cui ho dimenticato di aggiungere i file di foratura NC a un file di lavoro di output, o ho deselezionato per errore uno strato in più per i gerber. Utilizza un visualizzatore di gerber, anche solo quello integrato in Altium, per controllare che tutti i tuoi poligoni siano completamente renderizzati, tutte le tue forature siano al loro posto, e che serigrafia e maschera siano presenti dove necessario. Se stai inviando la scheda a un montatore o a un produttore su contratto, assicurati di avere anche i layer di pasta, i centri di prelievo e posizionamento, e i disegni di assemblaggio esportati.

Suggerimento Bonus - Termici

Devo ammettere, i termici sono un po' una mia fissazione. Alcuni software impostano per default l'aggiunta di termici su praticamente tutto. Se aggiungi una via, ottiene un termico; aggiungi un pad, ottiene un termico. I termici possono creare punti di alta induttanza e iniziare a causare problemi con segnali di moderata e alta velocità. In situazioni di alta corrente, la sezione trasversale di rame bassa del termico potrebbe non essere in grado di condurre abbastanza corrente.

I termici possono facilitare la saldatura manuale in grandi superfici di rame e potrebbero essere stati necessari per le vecchie macchine per la saldatura ad onda. Se stai progettando una scheda principalmente a montaggio superficiale con un paio di componenti attraverso-foro come connettori, non ci sono molti casi d'uso per un termico su un pad. I componenti a montaggio superficiale subiranno la saldatura a riflusso, mentre i componenti attraverso-foro saranno saldati con una macchina per la saldatura selettiva.

Questa capacità di prevenire il trasferimento di calore dal pad a una grande superficie di rame funziona in entrambe le direzioni. Da un lato, può rendere l'assemblaggio leggermente più facile, ma dall'altro, impedirà allo stesso modo la fuoriuscita di calore da un pacchetto. Ho visto molteplici schede di produzione con un D-Pak (TO-252) o un pacchetto simile che aveva termici sul pad di terra, il che rovina completamente la capacità del pacchetto di dissipare calore.

La densità di corrente su un pacchetto ad alta amperaggio con termici attivati. Immagina i problemi termici.

Allo stesso modo, i termici sui via limiteranno severamente quanto corrente e calore possono trasferire. Ancora peggio, raggruppare i via insieme per un trasferimento extra di calore o corrente può privare l'area di qualsiasi rame e decimare la capacità di trasporto di corrente o calore in tutta la regione.

Se stai progettando schede per processi di fabbricazione moderna e assemblaggio, puoi aggiungere funzionalità che non sarebbero state affidabili un decennio o due fa. Il volume e la complessità delle schede negli ultimi 2 decenni sono aumentati esponenzialmente. Per consentire questo ritmo di cambiamento, i fabbricanti di PCB hanno utilizzato metodi più efficienti, più precisi e più efficaci per creare schede per progetti altamente sofisticati. Il test elettrico post fabbricazione è standard anche negli stabilimenti di fabbricazione con il budget più basso e individua la grande maggioranza dei problemi di produzione. Se stai progettando una scheda ad alta corrente utilizzando uno strumento di analisi della distribuzione di potenza come PDN Analyzer di Altium, può aiutare a individuare errori riguardanti un'area di rame insufficiente per l'applicazione. Se il tuo design non è abbastanza robusto per gestire la corrente, la frequenza o i requisiti termici dell'applicazione, non importa se la scheda è funzionale elettricamente o meno.

Hai altre domande? Chiama un esperto di Altium.