Руководящие принципы DFA для эффективного проектирования печатных плат

Каждая печатная плата, которая должна стать настоящим устройством, должна быть собрана с высоким выходом годных изделий. Для того чтобы гарантировать, что плата может быть правильно собрана с первой попытки, необходимо тщательное планирование. Понимание некоторых основных принципов DFA может помочь обеспечить прохождение вашего дизайна через процесс сборки на производстве с минимальным количеством дефектов и без необходимости переделки.

В этой статье мы рассмотрим следующие вопросы:

• Почему DFA важен в дизайне печатных плат?
• Цели DFA
  • Стандартизация
  • Проверка компонентов
  • Снижение ошибок сборки
• Стандарты DFA
  • Ориентация компонентов с обозначениями полярности
  • Требования к расстоянию
  • Стандарты сборки IPC
• Распространенные дефекты сборки
  • Томбстоунинг
  • Мосты из припоя
  • Шарики припоя
  • Пустоты в припое
• Методы инспекции
  • Автоматическая оптическая инспекция (AOI)
  • Инспекция с использованием X-лучей

DFA — это процесс, который состоит из трех этапов. На первом этапе учитывается дизайн расположения платы. Во время этого этапа учитываются зазоры между компонентами, направление пайки и снижение стоимости сборки. На последующем этапе файлы Gerber или ODB++ проверяются на предмет зазоров и ориентации компонентов, посадочных мест и различных методов очистки. На заключительном этапе определяются требования к волновой пайке, пайке рефлоу и ручной пайке.

 

Цели DFA

Стандартизация

Каждому разработчику плат будет сложно предсказать трудности, которые могут возникнуть при работе над новым дизайном печатной платы. Основная цель стандартизации - минимизировать уровень неопределенности за счет использования деталей и техник, которые ранее работали успешно. Ниже приведены несколько способов обеспечить максимальную стандартизацию в вашем дизайне:

• Тщательно проверяйте источник каждого компонента, чтобы гарантировать подлинность компонентов. Несанкционированные источники увеличивают риск задержек, недостоверной информации и подделок.
• Постарайтесь сократить количество уникальных упаковок компонентов, чтобы упростить процесс сборки дизайна и минимизировать потенциальные ошибки. Например, если есть какие-либо несоответствия между площадкой и узором для монтажа, необходимые корректировки компоновки будут выполнены быстрее, поскольку в дизайне будет меньше уникальных узоров для монтажа.

Проверка компонентов

Одна из основных целей DFA - проверка компонентов, которые устанавливаются на плату. Следуйте приведенным ниже рекомендациям, чтобы помочь вашему производителю эффективно собрать вашу плату:

 

Снижение ошибок сборки

Основное внимание в DFA уделяется устранению потенциальных ошибок сборки, которые могут возникнуть. Помимо обсуждаемых выше моментов, следующие пункты позволяют производителям изготавливать печатные платы с желаемой функциональностью.

• Соблюдайте размеры, расстояния и допуски для сверловки отверстий, которые соответствуют возможностям вашего производителя. Это также обеспечивает производимость вашего дизайна ПП.
• Следуйте допускам и толерантностям, которые находятся в пределах возможностей вашего CM. 
• Соблюдайте правила очистки краев платы.
• Убедитесь, что форма платы позволяет оптимальную панелизацию.
• Включите тепловые рельефы, где это необходимо.

Стандарты DFA

Как обсуждалось в предыдущих разделах, знание стандартов DFA помогает вам разрабатывать плату эффективно и экономично. В этом разделе мы рассмотрим несколько критически важных норм DFA.

Ориентация компонентов с обозначениями полярности

Ориентация компонентов является одним из наиболее важных факторов, которые следует учитывать на этапе предварительной сборки. Для обеспечения беспроблемной сборки необходимо следовать четким и ясным методикам ориентации. В качестве примера рассмотрим диоды, которые имеют определенную полярность. Убедитесь, что символ схемы и шелкография имеют правильную маркировку полярности, которая будет видна после установки. Это упростит процесс инспекции и облегчит тестирование или отладку.

 

Символ можно разместить между двумя выводами для деталей с монтажом сквозь отверстие, но его следует размещать рядом с устройством для поверхностного монтажа. Поскольку эти символы могут занимать много места, для плат HDI будет достаточно линии над катодным контактом или простой индикации A (анод) или K (катод).

Всегда группируйте похожие компоненты и по возможности старайтесь размещать их с одинаковой ориентацией. Это облегчает процесс быстрой сборки. Например, все QFP можно разместить в ряд с выводом 1 в одном и том же углу для каждого ИС.

 

Требования к расстоянию

Расстояние между компонентами влияет на временные требования процесса сборки печатных плат. В этом разделе мы рассмотрим рекомендуемые стандарты расстояния, чтобы обеспечить качество процесса сборки.

Расстояние от компонента до края

Расстояние от компонента до края платы является важным фактором в процессе разделения плат. Во время этого процесса компоненты, расположенные близко к краю платы, будут подвергаться напряжению, которое может повлиять на пайку. Мы рекомендуем 125 мил (милсов) зазора между краем платы и SMD, размещенными на верхней стороне печатной платы, но ваш производитель может предложить другие допуски в своем процессе.

Иногда производители увеличивают расстояние от компонента до края платы на нижней стороне платы. Это снижает возможность повреждения компонентов SMT во время нанесения паяльной пасты.

Медные дорожки также могут быть проложены ближе к краю платы. Это позволяет обеспечить зазор для паяльной маски и предотвращает нарушение границ площадки. Дорожки, медное заливание и вручную вставленные детали должны быть размещены на расстоянии не менее 10 мил от края платы. Кастеллированные отверстия - это тип конструкции, который требует медного покрытия на краю платы. Для достижения желаемого медного покрытия такие конструкции потребуют дополнительных затрат и времени на изготовление.

 

Расстояние от детали до отверстия

Расстояние от детали до отверстия следует учитывать как для переходных отверстий, так и для сквозных компонентов. Оно определяет минимальное расстояние между площадкой/корпусом компонента и отверстиями. Такое расстояние состоит из двух конкретных факторов, которые должны быть соблюдены для достижения высококачественной сборки.

• Расстояние от детали до стенки отверстия: Измеряется от края фактического отверстия до края площадки. Это также известно как расстояние от сверла до меди. Минимально требуемое расстояние составляет около 8 мил.
• Расстояние от детали до кольцевой зоны: Измеряется от края кольцевой зоны отверстия до края площадки. Минимально требуемое расстояние составляет около 7 мил.

 

Стандарты сборки IPC

Вот некоторые другие стандарты сборки IPC, которых ваш CM будет придерживаться при сборке плат.

• IPC-A-600: IPC-A-600, обычно известный как IPC-600, определяет уровень критериев приемки для каждой категории продукции. Он устанавливает желательные, допустимые и неприемлемые требования к платам. 
• IPC/WHMA-A-620C: Описывает стандарт для материалов, процедур, испытаний и критериев приемлемости для кабельных и жгутных сборок. 
• IPC-A-630: Определяет стандарты для электронных корпусов. Этот стандарт используется, когда ваш CM собирает и проводит процесс инспекции.

Распространенные дефекты сборки

В этом разделе подробно описаны дефекты и проблемы, которые возникают наиболее часто во время сборки печатных плат. Производители используют множество методов контроля качества, чтобы избежать этих дефектов, и некоторые из этих методов упомянуты в подразделах ниже.

Томбстоуны

Томбстоун, также известный как эффект Манхэттена, относится к случаю, когда компонент SMD частично или полностью отслаивается от своей посадочной площадки. Это наиболее распространено в маленьких SMD пассивных компонентах (пакеты 0603 или меньше) и происходит из-за дисбаланса сил во время пайки рефлоу.

Способы предотвращения томбстоунинга:

• Обеспечьте высокую точность компонентов и высокую температуру предварительного нагрева.
• Избегайте воздействия высоких температур и влажности.
• Увеличьте зону выдержки, чтобы сбалансировать силу смачивания на обеих площадках до того, как паста достигнет расплавленного состояния.

 

Мостики Пайки

Мостики пайки возникают, когда припой наносится между двумя проводниками, которые не должны быть электрически соединены. Эти нежелательные соединения называются короткими замыканиями.

Способы предотвращения мостиков пайки:

• Убедитесь, что металлическое содержание в паяльной пасте составляет по крайней мере 90%.
• Точно выровняйте апертуры трафарета и уменьшите их размер на 10%.
• Обеспечьте подходящий профиль переплава.

 

Шарики Припоя

Шарики припоя являются наиболее распространенным дефектом, возникающим во время поверхностного монтажа. Это образование мелких сферических частиц припоя, отделяющихся от основного тела, формирующего соединение. Это вызывает беспокойство при процессе без очистки, поскольку множество шариков припоя могут образовать мостик между двумя соседними выводами. Это приводит к функциональным проблемам платы.

Способы предотвращения образования шариков припоя:

• Размеры площадок и расстояния между ними должны быть спроектированы в соответствии с техническими условиями.
• Перед печатью паяльной пасты выпекайте плату.
• Убедитесь, что толщина металлизации отверстий превышает 25 мкм, это предотвращает задержку воды.

 

Пустоты в пайке

Пустые пространства или отверстия внутри паяного соединения известны как пустоты в пайке. Пустота в пайке образуется, когда недостаточно припоя для установления соединения. Пустота в пайке обычно содержит воздух.

Способы предотвращения пустот в пайке:

• Увеличьте канал для выхода газов, позволяя газам уходить из платы.
• Постарайтесь использовать припой без свинца.

 

Методы инспекции

После установки компонентов на плату производители могут проводить множество процедур инспекции и контроля качества.

Автоматическая оптическая инспекция (AOI)

Автоматическая оптическая инспекция (AOI) является эффективным и точным методом обнаружения ошибок сборки печатных плат до их отправки с производственного предприятия. Этот метод использует камеры высокого разрешения и передовое программное обеспечение для обработки изображений для выявления ошибок сборки, таких как отсутствующие или неправильно установленные компоненты, мостики припоя, шарики припоя или "надгробия".

 

Инспекция с использованием X-лучей

AXI (автоматизированная рентгеновская инспекция) является популярным методом обнаружения скрытых дефектов в ИС и BGA. Источником сканирования в этой системе служит рентген. Он может использоваться для выявления больших пустот и трещин. Этот метод позволяет получить безразрушающий доступ к внутренним геометриям и структурным составам. AXI получает изображения таким же образом, как и AOI. Единственное отличие заключается в том, что AOI сканирует с использованием источника света, тогда как AXI использует рентгеновские лучи.

Руководства по DFA предназначены для обеспечения высокого выхода годных и минимальной доработки после сборки. Вы можете реализовать эти и многие другие рекомендации DFA до начала производства, используя движок DRC в Altium Designer®. После консультации с вашим производителем вы можете запрограммировать вышеупомянутые ограничения в правила проектирования вашей печатной платы, чтобы быстро обнаруживать и исправлять ошибки. Как только ваш проект будет готов к тщательному обзору дизайна и производству, ваша команда может делиться и сотрудничать в реальном времени через платформу Altium 365™. Команды разработчиков могут использовать Altium 365 для обмена данными производства и результатами испытаний, а изменения в дизайне могут быть распространены через защищенную облачную платформу и в Altium Designer.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня. И обязательно посетите веб-сайт Sierra Circuits, чтобы узнать больше о процессах производства и сборки.