Đầu ra lắp ráp PCB

Khi bạn hoàn tất một thiết kế PCB, mục tiêu thông thường là đưa nó vào sản xuất và lắp ráp. Trách nhiệm của người thiết kế là chuẩn bị các đầu ra phục vụ lắp ráp PCB cùng với dự án và cung cấp chúng cho nhà sản xuất. Nhà sản xuất sẽ sử dụng các đầu ra này để mua linh kiện, lập kế hoạch quy trình lắp ráp và thực hiện kiểm tra cuối cùng. Các yêu cầu lắp ráp cần được trình bày chi tiết, cung cấp cho đơn vị lắp ráp đầy đủ thông tin cần thiết để hoàn thiện việc lắp ráp một PCBA.

Trước khi đến công đoạn lắp ráp, bo mạch của bạn phải được thiết kế theo các thực hành DFA tốt nhất. Nếu không, và PCB được chế tạo trước khi được đơn vị lắp ráp xem xét, sẽ có rủi ro là các PCB đó phải bị loại bỏ. Có nhiều lý do dẫn đến việc phải hủy bỏ PCB, nhưng phần mềm ECAD phù hợp cho thiết kế PCB sẽ giúp các nhà thiết kế tránh được một số lỗi lắp ráp phổ biến nhất.

Danh sách các đầu ra cho lắp ráp PCB

Ở mức cơ bản nhất, hai tệp đầu ra tiêu chuẩn cho lắp ráp PCB là bảng kê vật tư và tệp pick-and-place. Bảng kê vật tư là tài liệu mua sắm quy định linh kiện nào tương ứng với từng mã tham chiếu trên PCB, còn tệp pick-and-place cho biết vị trí đặt của từng mã tham chiếu để hàn. Chỉ với hai tệp này và một mô tả ngắn về PCB, hoặc thậm chí không cần mô tả nào, nhà sản xuất vẫn có thể lắp ráp hoàn chỉnh một PCBA.

Các chuyên gia và doanh nghiệp thường tạo thêm đầu ra thiết kế tiêu chuẩn thứ ba: bản vẽ lắp ráp. Một bản vẽ lắp ráp thường bao gồm:

• Đường bao PCB và kích thước bo mạch
• Đường bao linh kiện ở mặt trên và mặt dưới
• Các mã tham chiếu linh kiện
• Ký hiệu cực tính và hướng đặt linh kiện
• Ký hiệu chân 1 cho mạch tích hợp và đầu nối
• Phần cứng cơ khí và vị trí lắp đặt
• Các hình chi tiết cho những khu vực dày đặc hoặc phức tạp
• Ghi chú lắp ráp, chú thích chỉ dẫn và các hướng dẫn sản xuất đặc biệt
• Thông tin phiên bản sửa đổi, số bản vẽ và thông tin khung tên

Ghi chú lắp ráp rất quan trọng vì chúng xác định các yêu cầu có thể không thể hiện rõ từ layout PCB, bảng kê vật tư hoặc dữ liệu pick-and-place. Các ghi chú này có thể chỉ rõ yêu cầu tuân thủ RoHS, phù hợp với các tiêu chuẩn IPC áp dụng, sử dụng hợp kim hàn hoặc loại kem hàn cụ thể, yêu cầu làm sạch, tiêu chí kiểm tra và các quy trình đặc biệt như underfill, phủ bảo vệ conformal coating, cố định cơ khí hoặc bôi keo. Ghi chú lắp ráp rõ ràng giúp giảm mơ hồ và bảo đảm rằng PCBA thành phẩm đáp ứng các yêu cầu cơ khí, điện và quy định của nhà thiết kế.

Nhiều nhà thiết kế mới không tạo bản vẽ lắp ráp vì phần mềm CAD của họ không hỗ trợ tự động hóa quy trình này. Ngay cả một số phần mềm cấp doanh nghiệp, như OrCAD và Xpedition, cũng không có khả năng tự động tạo bản vẽ lắp ráp. Các nền tảng này có thể phải dựa vào phần mềm khác với giấy phép riêng để thực hiện tác vụ cơ bản này.
Altium Designer thì khác vì nó tích hợp công cụ Draftsman, cho phép nhà thiết kế tự động tạo các bản vẽ lắp ráp chất lượng cao chỉ trong vài phút. Người dùng có thể tạo mẫu tùy chỉnh và kích thước trang tùy chỉnh để kiểm soát hoàn toàn định dạng của bản vẽ lắp ráp. Người dùng cũng có thể đặt thêm các thành phần trong bản vẽ lắp ráp, chẳng hạn như nhúng BOM, thêm ghi chú và chú thích chỉ dẫn, cũng như nhúng các tham số dự án để cập nhật bản vẽ tức thì.

Nếu bạn không thích dùng công cụ để tạo bản vẽ chế tạo hoặc bản vẽ lắp ráp, vẫn có cách tạo các bản vẽ này ngay bên trong tệp layout PCB. Một thực hành phổ biến là dùng các lớp cơ khí trong layout PCB để tự vẽ thủ công các đặc điểm của bản vẽ chế tạo và lắp ráp. Theo cách này, các cập nhật trong layout PCB cũng sẽ ngay lập tức được phản ánh trong bản vẽ lắp ráp. Để xuất bản vẽ lắp ráp, bạn sẽ cần tổng hợp các lớp sau vào một tệp DXF hoặc bản in PDF:

• Các lớp cơ khí chứa khung tên và ghi chú lắp ráp
• Lớp đường bao PCB
• Các lớp paste mask trên và dưới
• Các lớp lắp ráp trên và dưới
• Bất kỳ lớp cơ khí bổ sung nào thể hiện peelable mask, conformal coating, vị trí keo dán và các yêu cầu lắp ráp đặc biệt khác

Việc đưa thêm các hình chiếu trục đo của PCB được tạo từ bản vẽ 3D cũng rất phổ biến. Tuy nhiên, các lớp cơ khí và công cụ layout PCB thông thường không thể tạo hình chiếu trục đo, nên chúng cần được tạo trong một ứng dụng MCAD bên ngoài từ mô hình 3D của PCBA. Thông thường, hình chiếu này sẽ được xuất dưới dạng tệp DXF từ ứng dụng MCAD rồi nhập trở lại tệp layout PCB trên một lớp cơ khí. Tuy nhiên, Altium Draftsman có thể tạo trực tiếp các hình chiếu trục đo từ tệp tài liệu PCB mà không cần xuất sang ứng dụng MCAD.

Đầu ra thiết kế PCB thông minh

Một lựa chọn khác để tạo đầu ra thiết kế PCB cho lắp ráp là sử dụng các định dạng đầu ra thông minh. Các định dạng tệp này là ODB++ và IPC-2581.

Mặc dù các đầu ra thiết kế PCB thông minh rõ ràng tốt hơn cho chế tạo và lắp ráp, chúng vẫn không được sử dụng thường xuyên bằng tệp Gerber. Gerber vẫn là tiêu chuẩn thực tế cho dữ liệu chế tạo, vì vậy nhà thiết kế cũng sẽ phải xuất bảng kê vật tư và dữ liệu pick-and-place cho lắp ráp. Để bảo đảm bạn có phạm vi lựa chọn lắp ráp PCB rộng nhất, hãy sử dụng phần mềm thiết kế PCB như Altium Designer, phần mềm hỗ trợ cả ba gói đầu ra thiết kế PCB tiêu chuẩn.

DFA thành công giúp ngăn ngừa lỗi lắp ráp PCB

Khi lắp ráp các nguyên mẫu PCB, cấp độ dịch vụ của nhà cung cấp thường bao gồm đủ biên độ để tính đến việc sửa lại PCB khi cần. Tuy nhiên, khi bạn mở rộng lên sản lượng cao hơn, việc ngăn ngừa lỗi và tránh phải sửa lại trở thành những phần then chốt trong kiểm soát chi phí. Thực hành DFA ở giai đoạn này càng trở nên quan trọng, và chúng liên quan đến các thực hành thiết kế cơ bản diễn ra trong layout PCB và thư viện PCB.

Để triển khai thành công các thực hành DFA nhằm đạt tỷ lệ thành phẩm cao trong lắp ráp PCB, nhà thiết kế cần tận dụng phần mềm ECAD và thông tin từ đơn vị lắp ráp như sau:

• Thiết kế footprint linh kiện PCB
• Xác định các ràng buộc lắp ráp dưới dạng quy tắc thiết kế PCB
• Kiểm tra PCB trong quá trình rà soát lắp ráp

Thiết kế footprint PCB trong DFA

Hình học footprint là nơi DFA hoặc thành công, hoặc thất bại ở cấp độ linh kiện. Một footprint không phù hợp với năng lực quy trình của đơn vị lắp ráp sẽ làm phát sinh rủi ro lỗi bất kể phần còn lại của layout được thực hiện tốt đến đâu. Kích thước pad, khoảng hở courtyard, độ mở solder mask và hình học land pattern đều ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác khi gắp đặt, sự hình thành mối hàn và khả năng tiếp cận để kiểm tra sau reflow.

Đối với các package SMD tiêu chuẩn, IPC-7351 cung cấp một cơ sở tham chiếu, nhưng quy trình cụ thể của đơn vị lắp ráp — dù là wave solder, reflow hay selective solder — sẽ quyết định biến thể land pattern nào là phù hợp. Ví dụ, sử dụng land pattern danh định hoặc loại most-courtyard trong khi đơn vị lắp ráp đang chạy hồ sơ mật độ cao là một sự không tương thích phổ biến, dẫn đến hiện tượng chập cầu hàn hoặc thiếu fillet ở gót chân hàn.

Footprint này được thiết kế để áp dụng các thực hành DFA tốt nhất cho việc hàn pad trung tâm nhằm ngăn hiện tượng hút thiếc và xê dịch trong quá trình hàn.

Quy tắc thiết kế PCB cho DFA

Để bảo đảm DFA được áp dụng nhất quán, hãy thực thi các hướng dẫn thông qua các quy tắc thiết kế tự động thay vì kiểm tra thủ công. Hãy lấy trực tiếp các giá trị ràng buộc cụ thể từ đơn vị lắp ráp PCB của bạn, ví dụ như khoảng cách linh kiện, tỷ lệ khẩu độ kem hàn và dung sai. Đừng dựa vào các mặc định IPC chung chung, vì chúng có thể không phù hợp với năng lực của đơn vị lắp ráp, đặc biệt đối với các linh kiện bước chân nhỏ.

Hãy áp dụng trực tiếp các ràng buộc do đơn vị lắp ráp cung cấp vào hệ thống quy tắc thiết kế trong phần mềm PCB của bạn để ngăn ngừa lỗi lắp ráp. Điều này bao gồm xác định các quy tắc cho khoảng hở courtyard của linh kiện, độ giãn paste mask và đăng ký solder mask, bảo đảm kiểm tra quy tắc thiết kế có thể phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi chế tạo.

• Khoảng hở courtyard tối thiểu giữa các linh kiện giữa linh kiện với linh kiện, lấy từ tài liệu năng lực của đơn vị lắp ráp
• Độ giãn solder mask theo từng loại pad, phân biệt giữa định nghĩa pad SMD và NSMD
• Giá trị tối thiểu của tỷ lệ diện tích khẩu độ kem hàn, thường là 0,66 hoặc cao hơn để bảo đảm nhả kem hàn ổn định
• Biên giới keepout cho pick-and-place gần mép bo mạch và lỗ đồ gá
• Quy tắc via-in-pad cho các mẫu pad tản nhiệt, bao gồm yêu cầu tenting hoặc lấp via

Bên trong Altium Designer, bất kỳ ràng buộc nào trong số này đều có thể được triển khai bằng PCB Design Rules and Constraints Editor, hoặc bằng Constraint Manager mới hơn. Người dùng các nền tảng như Cadence OrCAD/Allegro và Siemens PADS/Xpedition sẽ quen thuộc hơn với giao diện Constraint Manager, giúp quá trình chuyển sang giao diện thiết kế mạnh mẽ hơn trong Altium Designer trở nên dễ dàng hơn.

Rà soát lắp ráp PCB

Các yếu tố được liệt kê ở trên chủ yếu được triển khai trong giai đoạn layout PCB và trở thành hiện thực vật lý trong quá trình lắp ráp. Thật không may, nếu bạn không thực hiện rà soát lắp ráp trước khi chế tạo, có thể sẽ tạo ra một PCB chưa tối ưu và không hoàn toàn phù hợp với năng lực DFA. Với các bo mạch đơn giản hơn, dùng linh kiện SMD kích thước lớn hoặc lỗ xuyên cỡ lớn, điều này có thể không thành vấn đề. Nhưng với các PCB mật độ cao, PCB HDI, hoặc PCB flex/rigid-flex, việc không tuân theo các ràng buộc của đơn vị lắp ráp rất dễ dẫn đến lỗi trong quá trình lắp ráp PCB.

Vì lý do này, nhà thiết kế nên cân nhắc gửi dữ liệu chế tạo của mình cho đơn vị lắp ráp PCB để rà soát. Điều này có thể giúp phát hiện các vấn đề thiết kế đơn giản có thể dẫn đến lỗi, và chúng có thể được khắc phục trước khi các bo mạch trần được chế tạo. Nếu không làm như vậy, đặc biệt là khi sản xuất số lượng lớn, hãy chuẩn bị tinh thần cho lỗi, sửa lại và thậm chí là phải loại bỏ PCB.

Để tìm hiểu thêm về các đầu ra lắp ráp PCB như một phần của gói dữ liệu sản xuất toàn diện, hãy xem video bên dưới.

Dù bạn cần xây dựng hệ thống điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới của Altium. Altium cung cấp nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, đi kèm với những công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!

Câu hỏi thường gặp

Cần những tệp nào cho quá trình lắp ráp PCB?

Gói tài liệu tối thiểu cho lắp ráp PCB bao gồm bảng kê vật tư (BOM) và tệp pick-and-place. Các gói tài liệu sản xuất chuyên nghiệp cũng nên bao gồm bản vẽ lắp ráp với vị trí linh kiện, ký hiệu chỉ hướng, chi tiết cơ khí, thông tin sửa đổi và ghi chú lắp ráp.

Bản vẽ lắp ráp PCB nên bao gồm những thông tin gì?

Bản vẽ lắp ráp PCB nên thể hiện đường viền bo mạch, kích thước, đường bao linh kiện, ký hiệu tham chiếu, dấu cực tính, ký hiệu chân 1, phần cứng lắp đặt và các hình chi tiết. Bản vẽ cũng nên bao gồm ghi chú lắp ráp, các yêu cầu quy trình đặc biệt, số bản vẽ và thông tin sửa đổi.

Làm thế nào để tạo bản vẽ lắp ráp PCB trong Altium Designer?

Trong Altium Designer, các nhà thiết kế có thể sử dụng Draftsman để tự động tạo các khung nhìn lắp ráp từ tài liệu PCB. Draftsman cũng hỗ trợ mẫu tùy chỉnh, bảng BOM, ghi chú, chú thích gọi ra, tham số dự án và các khung nhìn bo mạch đẳng phối.

Sự khác biệt giữa ODB++ và IPC-2581 là gì?

ODB++ là một định dạng dữ liệu PCB thông minh độc quyền, trong khi IPC-2581 là một tiêu chuẩn IPC mở, trung lập với nhà cung cấp, dựa trên XML có cấu trúc. Cả hai đều có thể kết hợp dữ liệu chế tạo, lắp ráp, linh kiện, kết nối, stackup, kiểm tra điện và kiểm tra chất lượng vào một gói sản xuất duy nhất.