Hướng dẫn DFA cho Thiết kế PCB Hiệu quả

Mỗi PCB muốn trở thành một thiết bị thực sự sẽ cần được lắp ráp với hiệu suất cao. Một số kế hoạch chiến lược cần được thực hiện để đảm bảo rằng bo mạch có thể được lắp ráp đúng cách ngay từ lần đầu tiên. Hiểu biết về một số hướng dẫn DFA cơ bản có thể giúp đảm bảo thiết kế của bạn vượt qua quá trình lắp ráp sản xuất với ít lỗi nhất và không cần sửa chữa lại.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến các điểm sau:

• Tại sao DFA lại quan trọng trong Thiết kế PCB?
• Mục tiêu của DFA
  • Tiêu chuẩn hóa
  • Xác nhận linh kiện
  • Giảm lỗi lắp ráp
• Các tiêu chuẩn DFA
  • Định hướng linh kiện với dấu cực
  • Yêu cầu về khoảng cách
  • Tiêu chuẩn lắp ráp IPC
• Lỗi lắp ráp thường gặp
  • Tombstoning
  • Cầu hàn
  • Bi hàn
  • Lỗ hở hàn
• Phương pháp kiểm tra
  • Kiểm tra quang tự động (AOI)
  • Kiểm tra bằng tia X

DFA là quy trình gồm ba giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, việc thiết kế bố cục bảng mạch được xem xét. Trong giai đoạn này, khoảng cách giữa các linh kiện, hướng hàn, và giảm chi phí cho việc lắp ráp được tính toán. Trong giai đoạn tiếp theo, các tệp Gerbers hoặc ODB++ được xác nhận về khoảng cách và định hướng của linh kiện, dấu chân, và các phương pháp làm sạch khác nhau. Trong giai đoạn cuối cùng, các yêu cầu về hàn sóng, hàn reflow, và hàn thủ công được xác định.

 

Mục tiêu của DFA

Tiêu chuẩn hóa

Mọi nhà thiết kế bảng mạch sẽ gặp khó khăn trong việc dự đoán những thách thức có thể xuất hiện khi làm việc trên một thiết kế PCB mới. Mục tiêu chính của việc chuẩn hóa là giảm thiểu mức độ không chắc chắn bằng cách sử dụng các bộ phận và kỹ thuật đã được chứng minh là hiệu quả trước đó. Dưới đây là một số cách để đảm bảo tối đa việc chuẩn hóa trong thiết kế của bạn:

• Kiểm tra nguồn gốc của từng linh kiện một cách cẩn thận để đảm bảo tính xác thực của các linh kiện. Nguồn không chính thức tăng nguy cơ trì hoãn, thông tin sai lệch và linh kiện giả mạo.
• Cố gắng giảm số lượng gói linh kiện độc đáo để làm cho quá trình thiết kế cho lắp ráp dễ dàng hơn và giảm thiểu lỗi tiềm ẩn. Ví dụ, nếu có bất kỳ sự không nhất quán nào giữa kích thước chân và mẫu đất, việc điều chỉnh bố trí cần thiết sẽ được thực hiện nhanh chóng hơn vì thiết kế sẽ có ít mẫu đất độc đáo hơn.

Xác thực linh kiện

Một trong những mục tiêu chính của DFA là xác thực các linh kiện được lắp đặt trên bảng mạch. Tuân theo các hướng dẫn dưới đây để giúp nhà sản xuất của bạn lắp ráp bảng mạch một cách hiệu quả:

 

Giảm lỗi lắp ráp

DFA chủ yếu tập trung vào việc loại bỏ các lỗi lắp ráp tiềm ẩn có thể xảy ra. Ngoài các điểm đã thảo luận ở trên, các điểm dưới đây giúp các nhà sản xuất chế tạo các bảng mạch với chức năng mong muốn.

• Tuân thủ kích thước, khoảng cách và dung sai cho các lỗ khoan nằm trong khả năng của nhà sản xuất của bạn. Điều này cũng đảm bảo khả năng sản xuất của thiết kế PCB của bạn.
• Theo dõi các khoảng cách và dung sai nằm trong khả năng của CM của bạn. 
• Theo dõi các quy tắc về khoảng cách rìa bảng mạch.
• Đảm bảo hình dạng bảng mạch cho phép tối ưu hóa việc sắp xếp các panel.
• Tích hợp các giải pháp giảm nhiệt nếu cần thiết.

Tiêu chuẩn DFA

Như đã thảo luận trong các phần trước, việc biết các tiêu chuẩn DFA giúp bạn thiết kế bảng mạch một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu một số quy tắc DFA quan trọng.

Định hướng linh kiện với các dấu hiệu cực

Định hướng linh kiện là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần được xem xét trong giai đoạn chuẩn bị lắp ráp. Để lắp ráp không gặp trở ngại, việc tuân theo các kỹ thuật định hướng rõ ràng và cụ thể là rất cần thiết. Chỉ cần lấy ví dụ như diode, chúng sẽ có một cực tính nhất định. Hãy đảm bảo rằng biểu tượng schematic và silkscreen có dấu hiệu cực tính phù hợp, có thể nhìn thấy sau khi đặt linh kiện. Điều này sẽ làm cho quá trình kiểm tra dễ dàng hơn, và nó làm cho việc kiểm tra hoặc gỡ lỗi dễ dàng hơn.

 

Biểu tượng có thể được đặt giữa hai chân cho các bộ phận thông qua lỗ, nhưng nó nên được đặt bên cạnh thiết bị cho các bộ phận gắn mặt. Vì những biểu tượng này có thể chiếm nhiều không gian, một thanh trên pad cathode hoặc chỉ dấu hiệu đơn giản của A (anode) hoặc K (cathode) sẽ đủ cho các bảng mạch HDI. 

Luôn nhóm các linh kiện tương tự và cố gắng đặt chúng với cùng một hướng nếu có thể. Điều này tạo điều kiện cho quá trình lắp ráp nhanh chóng. Ví dụ, tất cả QFPs có thể được đặt thành một hàng với chân số 1 ở cùng một góc cho mỗi IC.

 

Yêu cầu về Khoảng cách

Khoảng cách giữa các linh kiện ảnh hưởng đến yêu cầu về thời gian của quy trình PCBA. Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét các tiêu chuẩn khoảng cách được khuyến nghị để đảm bảo chất lượng của quá trình lắp ráp.

Khoảng Cách Từ Linh Kiện Đến Mép Bo

Khoảng cách từ linh kiện đến mép bo là khoảng cách từ một linh kiện cụ thể trên bo mạch đến mép của nó. Yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong quá trình tách bo. Trong quá trình này, các linh kiện gần mép bo sẽ chịu áp lực có thể ảnh hưởng đến các mối hàn. Chúng tôi khuyến nghị một khoảng cách 125 mil giữa mép bo và SMD được đặt ở mặt trên của bo mạch, nhưng nhà sản xuất của bạn có thể cung cấp các khoản cho phép khác nhau trong quy trình của họ.

Đôi khi, các nhà sản xuất tăng thêm khoảng cách từ linh kiện đến mép bo ở mặt dưới của bo. Điều này giảm khả năng hư hại linh kiện SMT trong quá trình áp dụng keo hàn.

Các đường dẫn bằng đồng cũng có thể được đặt gần mép bo mạch hơn. Điều này cho phép có một khoảng trống mặt nạ hàn và ngăn chặn việc lấn chiếm pad. Các đường dẫn, đổ đồng và các bộ phận được chèn vào bằng tay phải được cách mép bo mạch ít nhất 10 mil. Lỗ castellated là một loại thiết kế yêu cầu phủ đồng ở mép bo mạch. Để đạt được lớp phủ đồng mong muốn, những thiết kế như vậy sẽ yêu cầu chi phí và thời gian dẫn thêm.

 

Khoảng Cách Giữa Linh Kiện và Lỗ

Khoảng cách giữa linh kiện và lỗ nên được xem xét đối với cả vias và các thành phần qua lỗ. Nó xác định khoảng cách tối thiểu giữa pad/ thân linh kiện và các lỗ. Khoảng cách này bao gồm hai yếu tố cụ thể cần được đáp ứng để đạt được một lắp ráp chất lượng cao.

• Khoảng cách từ linh kiện đến tường lỗ: Được đo từ mép thực của lỗ đến mép pad. Điều này còn được biết đến là khoảng cách khoan đến đồng. Khoảng cách tối thiểu yêu cầu là khoảng 8 mil.
• Khoảng cách từ linh kiện đến vòng annular: Được đo từ mép của vòng annular của lỗ đến mép pad. Khoảng cách tối thiểu yêu cầu là khoảng 7 mil.

 

Tiêu chuẩn lắp ráp IPC

Dưới đây là một số tiêu chuẩn lắp ráp IPC khác mà nhà sản xuất của bạn sẽ tuân thủ khi lắp ráp các bảng mạch.

• IPC-A-600: IPC-A-600, thường được biết đến với tên IPC-600, quy định mức độ tiêu chuẩn chấp nhận cho từng loại sản phẩm. Nó xác định các yêu cầu mong muốn, có thể chấp nhận và không thể thương lượng của các bảng mạch. 
• IPC/WHMA-A-620C: Nó mô tả tiêu chuẩn cho vật liệu, quy trình, thử nghiệm và tiêu chí chấp nhận cho các bộ lắp ráp cáp và dây. 
• IPC-A-630: Nó xác định các tiêu chuẩn cho vỏ điện tử. Tiêu chuẩn này được sử dụng khi nhà sản xuất của bạn lắp ráp và thực hiện quá trình kiểm tra.

Lỗi Lắp Ráp Thường Gặp

Phần này chi tiết các lỗi và vấn đề thường xảy ra nhất trong quá trình PCBA. Các nhà sản xuất sử dụng nhiều phương pháp kiểm soát chất lượng để tránh những lỗi này, và một số phương pháp đó được đề cập trong các phần phụ dưới đây. 

Tombstones

Một "tombstone", còn được biết đến với tên hiệu ứng Manhattan, là trường hợp một linh kiện SMD bị bong ra một phần hoặc hoàn toàn khỏi pad đặt của nó. Điều này thường xảy ra nhất với các linh kiện SMD nhỏ (gói 0603 hoặc nhỏ hơn) và nó xảy ra do sự mất cân bằng lực trong quá trình hàn reflow.

Cách ngăn chặn tombstoning:

• Đảm bảo độ chính xác cao của linh kiện và nhiệt độ làm nóng trước cao.
• Tránh tiếp xúc với nhiệt độ và độ ẩm cao.
• Kéo dài vùng ngâm để cân bằng lực ướt trên cả hai pad trước khi keo hàn chuyển sang trạng thái nóng chảy.

 

Cầu Hàn

Cầu hàn xảy ra khi hàn được áp dụng giữa hai dẫn điện không nên được kết nối điện. Những kết nối không mong muốn này được gọi là chập mạch.

Cách ngăn chặn cầu hàn:

• Đảm bảo rằng hàm lượng kim loại trong keo hàn ít nhất là 90%.
• Canh chỉnh chính xác các lỗ khuôn và giảm kích thước của chúng đi 10%.
• Đảm bảo một hồ sơ nung chảy phù hợp.

 

Hạt Hàn

Hạt hàn là lỗi phổ biến nhất xảy ra trong quá trình lắp ráp bề mặt. Đó là sự phát triển của các hạt cầu nhỏ của hàn tách ra từ phần chính tạo thành mối nối. Điều này là một vấn đề đối với quy trình không làm sạch vì nhiều hạt hàn có thể tạo thành cầu nối giữa hai chân dẫn liền kề. Điều này dẫn đến các vấn đề về chức năng của bảng mạch.

Cách ngăn chặn hạt hàn:

• Kích thước và khoảng cách của pad nên được thiết kế theo bảng dữ liệu.
• Trước khi in keo hàn, hãy nướng bảng mạch.Đảm bảo rằng độ dày của lớp mạ lỗ lớn hơn 25μm, điều này ngăn chặn việc giữ nước.

 

Lỗ Hàn Không

Các khoảng trống hoặc lỗ bên trong mối hàn được biết đến là lỗ hàn không. Lỗ hàn không được tạo ra khi không có đủ hàn để thiết lập kết nối. Lỗ hàn không thường chứa không khí. 

Cách ngăn chặn lỗ hàn không:

• Tăng kênh thoát khí, cho phép khí thoát ra khỏi bảng mạch. 
• Hãy cố gắng sử dụng keo hàn không chì.

 

Phương Pháp Kiểm Tra

Sau khi bảng mạch được lắp đặt, nhà sản xuất có thể thực hiện nhiều thủ tục kiểm tra và kiểm soát chất lượng.

Kiểm tra quang tự động (AOI)

Kiểm tra quang tự động (AOI) là một phương pháp hiệu quả và chính xác để phát hiện lỗi lắp ráp PCB trước khi các bảng rời khỏi cơ sở sản xuất. Phương pháp này sử dụng camera độ phân giải cao và phần mềm xử lý hình ảnh tiên tiến để xác định lỗi lắp ráp như linh kiện thiếu hoặc lắp sai vị trí, cầu hàn, bi hàn, hoặc đá mộ.

 

Kiểm Tra X-quang

AXI (kiểm tra bằng tia X tự động) là phương pháp phổ biến để phát hiện các lỗi ẩn trong IC và BGA. Nguồn quét trong hệ thống này là tia X. Nó có thể được sử dụng để xác định các khoảng trống lớn và vết nứt. Phương pháp này cho phép tiếp cận không phá hủy đến các hình dạng bên trong và cấu trúc cấu thành. AXI chụp ảnh theo cách tương tự như AOI. Sự khác biệt duy nhất là AOI quét bằng nguồn sáng, trong khi AXI quét bằng tia X.

Hướng dẫn DFA nhằm đảm bảo hiệu suất cao và giảm thiểu công việc sửa chữa sau khi lắp ráp. Bạn có thể áp dụng những hướng dẫn DFA này và nhiều hướng dẫn khác trước khi bạn tiến hành sản xuất bằng cách sử dụng động cơ DRC trong Altium Designer®. Sau khi bạn tham khảo ý kiến của nhà sản xuất, bạn có thể lập trình các ràng buộc được liệt kê ở trên vào quy tắc thiết kế PCB của mình để đảm bảo bạn có thể nhanh chóng phát hiện và sửa chữa lỗi. Khi thiết kế của bạn đã sẵn sàng cho việc xem xét thiết kế kỹ lưỡng và sản xuất, nhóm của bạn có thể chia sẻ và hợp tác theo thời gian thực thông qua nền tảng Altium 365™. Các nhóm thiết kế có thể sử dụng Altium 365 để chia sẻ dữ liệu sản xuất và kết quả kiểm tra, và các thay đổi thiết kế có thể được chia sẻ thông qua một nền tảng đám mây an toàn và trong Altium Designer.

Chúng ta mới chỉ khám phá được bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay. Và đừng quên ghé thăm trang web của Sierra Circuits để tìm hiểu thêm về quy trình sản xuất và lắp ráp.