Sách điện tử về Sản xuất PCB

Các bảng mạch in có một vị trí vững chắc trong cuộc sống của chúng ta. Chúng xuất hiện ở khắp mọi nơi từ TV và máy tính của chúng ta, đến máy giặt và đồng hồ. Là một nhà thiết kế PCB, bạn hiểu rõ sự đổ mồ hôi, nước mắt và công sức mà mỗi tấm bảng và các thiết bị mà chúng phục vụ trở thành hiện thực. Hiếm khi có dự án PCB nào diễn ra suôn sẻ từ đầu đến cuối. Tuy nhiên, có một số bước bạn có thể thực hiện để tăng cường hiệu quả và giảm thiểu số lần trục trặc trong quá trình. Điều quan trọng nhất là bạn phải luôn cảnh giác và tận tâm với từng bước của dự án để đảm bảo thiết kế của bạn được hoàn thành đúng hạn, đúng ngân sách và đúng như bạn mong đợi.

Tham gia cùng chúng tôi khi chúng tôi thảo luận về các chủ đề và mẹo liên quan đến quy trình sản xuất PCB, bao gồm: 

• Cách ngăn chặn lỗi đặt vị trí silkscreen trong sản xuất PCB
• Liệu việc đặt Dấu hiệu Fiducial trên PCB có còn cần thiết với Khả năng Sản xuất Hiện đại?
• Hướng dẫn Thiết kế PCB cho Sản xuất: Làm thế nào để Tránh những Sai lầm Thiết kế Nghiêm trọng
• Hướng dẫn Thiết kế CAD PCB cho Sản xuất: Cách Định tuyến Trace Ảnh hưởng đến Mối hàn
• Mẹo Thiết kế và Sản xuất PCB để Ngăn chặn Mạch Mở Trong Sản xuất PCB
• Cách Đặt Linh kiện Có thể Làm hoặc Phá Ngân sách Sản xuất của Bạn

CÁCH NGĂN CHẶN LỖI ĐẶT SILKSCREEN TRONG SẢN XUẤT PCB

Nếu bạn nhớ về Thế vận hội năm 1996, bạn sẽ biết về phần thi kết thúc mạnh mẽ của Kerri Strug. Cô ấy đã hoàn thành bài nhảy cuối cùng của mình với một cổ chân bị thương, giúp đội tuyển Mỹ giành huy chương vàng, và chứng minh tầm quan trọng của việc kiên trì đến cùng. Tuy nhiên, chúng ta đều biết cảm giác cám dỗ muốn thả lỏng và hạ thấp cảnh giác ở cuối dự án, ngay cả trong thiết kế mạch in. Một trong những việc cuối cùng chúng ta làm trước khi phát hành thiết kế cho việc sản xuất là điều chỉnh hình ảnh silkscreen và chỉ dẫn tham chiếu của bảng mạch. Tuy nhiên, hầu hết thời gian bước này không được thực hiện với sự cẩn thận như phần còn lại của thiết kế. Điều này có thể dẫn đến việc thiết kế bị nhà sản xuất từ chối và gửi trả lại cho nhà thiết kế để sửa chữa. Hãy xem xét một số vấn đề tiềm ẩn với silkscreen PCB và cách các nhà thiết kế có thể tránh chúng.

Hoàn thành mạnh mẽ như vận động viên thể dục dụng cụ.

VẤN ĐỀ SILKSCREEN PCB TIỀM ẨN LÀ GÌ?

Bạn có thể đang tự hỏi điều gì có thể sai, dưới đây là một số hậu quả của việc không thực hiện điều chỉnh silkscreen cuối cùng trước khi gửi thiết kế đi.

Các thành phần được biểu diễn sai: Nếu lớp silkscreen không chính xác biểu diễn các thành phần dự định, nó có thể gây ra sự nhầm lẫn cho các kỹ thuật viên khi họ đang thực hiện việc debug hoặc chỉnh sửa. Điều này có thể bao gồm hình dạng không chính xác đại diện cho thành phần liên quan hoặc số pin và chỉ báo cực tính nằm ở những pin sai. Bạn có thể tưởng tượng sự lo lắng mà các kỹ thuật viên bảng mạch sẽ cảm thấy khi họ đang tìm kiếm phía dương của một tụ điện và phát hiện ra rằng các chỉ báo cực tính thực sự đã bị đảo ngược.

Văn bản silkscreen không thể đọc được: Nếu văn bản silkscreen không thể đọc được, điều này khiến cho các kỹ thuật viên bảng mạch mất nhiều thời gian hơn để giải thích các chỉ định tham chiếu. Điều này thường do sử dụng kích thước phông chữ quá nhỏ để có thể đọc được hoặc sử dụng kích thước độ rộng dòng sai. Độ rộng dòng quá hẹp sẽ không in được lên bảng mạch thành công trong khi độ rộng dòng quá lớn sẽ phình to và trở nên không thể đọc được tương tự.

Chỉ định tham chiếu đặt trên các thành phần sai: Đôi khi các chỉ định tham chiếu lại nằm trên các thành phần sai. Điều này có thể xảy ra nếu một thành phần được di chuyển nhưng không phải chỉ định tham chiếu, hoặc nó có thể là lỗi từ phía nhà thiết kế. Dù trong trường hợp nào, các kỹ thuật viên bảng mạch cố gắng kiểm tra bảng mạch sẽ kết thúc việc đo lường các thành phần không khớp với những gì họ thấy trong sơ đồ mạch.

Các ký hiệu tham chiếu được đặt sao cho chúng bị che khuất bởi các linh kiện đã lắp ráp: Chúng tôi cũng đã thấy nhiều ví dụ về việc các ký hiệu tham chiếu trên màn hình lụa bị che khuất bởi các bộ phận đã lắp ráp. Điều này đôi khi không thể tránh khỏi trong các thiết kế dày đặc, nhưng chúng ta nên cố gắng hết sức để không để điều đó xảy ra. Một lần nữa, hãy tưởng tượng các kỹ thuật viên bảng mạch đang vật lộn để tìm "C143" trên thiết kế của bạn khi ký hiệu tham chiếu không thể nhìn thấy.

Mực in màn hình lụa che phủ kim loại hoặc chảy vào lỗ: Mực in màn hình lụa che phủ kim loại trần, như các chân gắn bề mặt hoặc lỗ thông hợp kim, thực sự có thể khiến một bảng mạch bị loại bỏ. Cũng như vậy, các yếu tố màn hình lụa va chạm với các yếu tố màn hình lụa khác hoặc màn hình lụa chảy ra ngoài mép bảng mạch không giúp ích gì.

LÀM VIỆC VỚI NHÀ SẢN XUẤT CỦA BẠN

Bước đầu tiên để tránh những lỗi như vậy là làm quen với hướng dẫn thiết kế màn hình lụa của nhà sản xuất bảng mạch mạch của bạn. Họ sẽ cung cấp cho bạn thông tin về kích thước phông chữ và độ rộng đường nét tối ưu và tối thiểu. Họ cũng sẽ có thể cung cấp cho bạn các thông số kỹ thuật về khoảng cách giữa màn hình lụa với các đối tượng khác, bao gồm kim loại trần và lỗ thông hợp kim. Thiết lập giao tiếp tốt với nhà sản xuất và hiểu rõ họ cần gì trước khi bạn gửi thiết kế cho họ là chìa khóa thiết yếu để giảm thiểu lỗi sản xuất.

Hãy bắt đầu!

BẠN LÀM GÌ ĐỂ GIẢM THIỂU LỖI SILKSCREEN?

Hãy nhìn thiết kế của mình bằng một đôi mắt mới, như thể bạn là người chịu trách nhiệm chỉnh sửa và gỡ lỗi cho bảng mạch. Nếu bạn có thể xem đầu ra của silkscreen thiết kế qua một trình xem riêng biệt, điều này sẽ giúp bạn kiểm tra dễ dàng hơn. Bạn có thể nhìn thấy và đọc tất cả các chỉ số thiết kế tham chiếu không? Bạn có đánh dấu các bộ phận có số lượng chân lớn để dễ dàng tìm thấy chân số 1 không? Bạn có chỉ rõ cực tính đúng cách trên các bộ phận thích hợp không? Nếu bạn không thể đọc và hiểu silkscreen, thì hãy chắc chắn rằng các kỹ thuật viên của bạn cũng không thể.

Cuối cùng, hãy sử dụng Silkscreen DRC’s trong hệ thống CAD của bạn. Đảm bảo kiểm tra silkscreen trên kim loại trần, silkscreen đi vào lỗ, và khoảng cách silkscreen so với các đối tượng khác và các yếu tố silkscreen khác. Những kiểm tra này có thể giúp bạn tránh khỏi nhiều phiền toái.

Hãy đối mặt với nó; thiết kế một bảng mạch có thể rất thú vị. Thực tế, việc định tuyến cuối cùng bằng tay có thể rất thoải mái, đặc biệt sau khi hoàn thành việc đặt vị trí khó khăn và định tuyến quan trọng. Tuy nhiên, thiết kế phải được chuẩn bị cho các tệp đầu ra cuối cùng và đó có thể là một nhiệm vụ tẻ nhạt và đơn điệu. Không phải là hiếm khi các nhà thiết kế PCB cho việc làm sạch silkscreen và các nhiệm vụ liên quan đến đầu ra khác ít sự chú ý hơn vì họ chỉ muốn hoàn thành thiết kế và chuyển sang dự án tiếp theo. Nhưng như một vận động viên thể dục dụng cụ Olympic, bạn phải kết thúc mạnh mẽ. Muốn biết thêm ý tưởng về cách hoàn thành thiết kế của bạn với DRC silkscreen? Nói chuyện với chuyên gia tại Altium.

VỊ TRÍ ĐÁNH DẤU FIDUCIAL TRÊN PCB CÓ CÒN CẦN THIẾT VỚI KHẢ NĂNG SẢN XUẤT HIỆN ĐẠI?

Khoảng 10 năm trước, tôi đã ngừng xem phim kinh dị. Trong những ngày trẻ của mình, tôi thực sự thích được sợ hãi một cách ngốc nghếch, nhưng khi tôi bắt đầu sự nghiệp kỹ sư của mình, tôi trở nên quan tâm nhiều hơn đến thể loại hành động và khoa học viễn tưởng. Điều này có lẽ là bởi vì tôi đã nhận được phần chia sẻ công bằng của mình về những câu chuyện kinh dị tại nơi làm việc khi những sai lầm đơn giản dẫn đến những ác mộng sau sản xuất thảm khốc.

Khi tôi bắt đầu sự nghiệp thiết kế điện tử của mình, linh kiện thông qua lỗ rất phổ biến và linh kiện gắn mặt lại là một cảnh tượng hiếm hoi. Khi gói (Quad Flat Package) QFP của vi điều khiển (MCU) trở nên phổ biến, tôi không còn lựa chọn nào khác ngoài việc chuyển từ dấu chân hộp chíp dẫn nhựa (PLCC) cũ. Điều này là bởi vì PLCC yêu cầu một ổ cắm bổ sung trong khi QFP có thể được gắn trực tiếp lên PCB. Theo như tôi có thể nhận thấy, chỉ là vấn đề thời gian trước khi các nhà sản xuất chip ngừng sản xuất MCU trong gói PLCC để ưu tiên cho QFP hoặc các gói tương tự.

Khi nhà cung cấp lắp ráp PCB của tôi gửi email thông báo rằng họ không thể lắp ráp máy cho MCU trên 200 bảng mạch tôi đặt hàng, cơn ác mộng của tôi bắt đầu. Quen với ổ cắm PLCC, là linh kiện thông qua lỗ, tôi không nghĩ đến việc cung cấp dấu hiệu fiducial trên PCB. Việc không làm như vậy có nghĩa là tất cả các MCU gói QFP với khoảng cách nhỏ phải được lắp ráp thủ công.

Điều này dẫn đến tỷ lệ bảng mạch bị từ chối cao hơn và hàng giờ liền phải sửa chữa các lỗi do hàn thủ công không hoàn hảo. Kể từ đó, tôi luôn nhấn mạnh việc sử dụng dấu fiducial trong thiết kế của mình, ngay cả khi nhà cung cấp của tôi nói rằng họ đã nâng cấp máy móc để có thể làm việc mà không cần dấu fiducial.

Bạn có thể kết thúc với một mớ hỗn độn nếu bạn bỏ qua dấu fiducial.

DẤU FIDUCIAL LÀ GÌ VÀ LÀM THẾ NÀO NÓ GIÚP TRONG SẢN XUẤT

Trong thiết kế PCB, một dấu fiducial là một hình dạng tròn bằng đồng hoạt động như một điểm tham chiếu cho máy lắp ráp chọn và đặt. Dấu fiducial giúp máy nhận biết hướng của PCB và các thành phần gắn bề mặt với các gói có khoảng cách nhỏ như Quad Flat Package (QFP), Ball Grid Arrays (BGAs) hoặc Quad Flat No-Lead (QFN).

Có hai loại dấu fiducial thường được tìm thấy trong thiết kế PCB: dấu fiducial toàn cầu và dấu fiducial địa phương. Dấu fiducial toàn cầu là một tham chiếu bằng đồng được đặt ở rìa của PCB, cho phép máy xác định hướng của bảng mạch so với trục X-Y. Máy đặt cũng sử dụng dấu fiducial để bù đắp cho bất kỳ sự lệch lạc nào khi PCB được kẹp.

Các dấu hiệu định vị cục bộ là các dấu hiệu bằng đồng được đặt ngoài góc của linh kiện gắn bề mặt có gói hình chữ nhật. Nó được sử dụng bởi máy lắp ráp để xác định chính xác vị trí của linh kiện và giảm thiểu lỗi trong việc đặt linh kiện. Điều này đặc biệt quan trọng khi bạn có các linh kiện gói hình chữ nhật có chân cắm mảnh và lớn trong thiết kế của mình.

Hãy luôn kiểm tra với nhà sản xuất của bạn về yêu cầu dấu hiệu định vị.

LIỆU DẤU HIỆU ĐỊNH VỊ CÓ CẦN THIẾT VỚI CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HIỆN ĐẠI?

Tôi luôn thiết kế PCB của mình với cả dấu hiệu định vị toàn cầu và cục bộ. Tuy nhiên, khi tôi đọc một bài viết giải thích về khả năng bỏ qua dấu hiệu định vị cục bộ, tôi đã thấy thú vị. Việc loại bỏ dấu hiệu định vị trên các PCB nhỏ hơn để tối đa hóa không gian cho các đường tín hiệu là hợp lý.

Nhờ vào tiến bộ trong công nghệ sản xuất, dấu hiệu định vị cục bộ có thể được bỏ qua trong một số điều kiện. Trên các bảng mạch nhỏ, máy lắp ráp hiện đại có thể đặt các linh kiện SMT chỉ sử dụng dấu hiệu định vị toàn cầu. Dấu hiệu định vị cũng có thể được bỏ qua cho các linh kiện có khoảng cách chân lớn hơn. Ví dụ, các linh kiện gắn bề mặt với khoảng cách chân từ 1.0mm trở lên có thể được đặt chính xác bởi các máy móc mới nhất.

Điều đó nói lên rằng, việc thảo luận về khả năng của máy của nhà sản xuất bạn trước khi loại bỏ các dấu hiệu định vị cục bộ trong thiết kế của bạn là rất quan trọng. Tôi đã học được một bài học đắt giá rằng không phải tất cả các nhà sản xuất đều được trang bị máy móc sử dụng công nghệ mới nhất. Mặt khác, các dấu hiệu định vị toàn cầu không bao giờ nên bị bỏ qua trong thiết kế của bạn. Ngay cả khi bạn đang làm việc với một số khả năng sản xuất tiên tiến nhất.  

THỰC HÀNH TỐT NHẤT KHI SỬ DỤNG DẤU HIỆU ĐỊNH VỊ TRONG THIẾT KẾ PCB

Nếu bạn muốn tận dụng tối đa việc lắp ráp bằng máy, bạn cần phải đặt dấu hiệu định vị đúng cách. Có một số hướng dẫn quan trọng khi đặt dấu hiệu định vị trong thiết kế của bạn.

1. Dấu hiệu định vị được tạo ra bằng cách đặt một lớp đồng không khoan hình tròn. Dấu hiệu định vị phải không có mặt nạ hàn.
2. Kích thước tối ưu của một dấu hiệu định vị nên nằm trong khoảng từ 1mm đến 3mm. Một khu vực trống tương tự như đường kính của dấu hiệu phải được duy trì.
3. Đối với các dấu hiệu định vị toàn cầu, 3 dấu hiệu được đặt ở rìa của bảng mạch để đạt được độ chính xác tốt nhất. Trong trường hợp không gian không đủ, ít nhất 1 dấu hiệu định vị toàn cầu là cần thiết.
4. Dấu fiducial phải giữ khoảng cách 0,3 inch so với mép của bảng mạch, không tính khu vực dọn dẹp của dấu fiducial.
5. Đối với fiducial cục bộ, đặt ít nhất hai dấu fiducial theo đường chéo ở mép ngoài của linh kiện gắn bề mặt.

Sử dụng phần mềm thiết kế PCB chuyên nghiệp, có thể đặt dấu fiducial bằng cách chèn một pad, thay đổi kích thước pad thành không, và thiết lập các giá trị chính xác cho đường kính.  Cần thêm mẹo để đặt dấu fiducial trên thiết kế của bạn? Liên hệ với chuyên gia tại Altium.

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ PCB CHO SẢN XUẤT: LÀM THẾ NÀO ĐỂ TRÁNH NHỮNG SAI LẦM THIẾT KẾ NGHIÊM TRỌNG

Tôi thề rằng tôi đã có thể trở thành MasterChef tiếp theo nếu tôi không hoàn thành bằng kỹ sư của mình. Không phải vì tôi giỏi nấu ăn một cách đặc biệt, mà vì tôi không từ bỏ sau một lần thử nấu bún gạo chiên thảm họa. Việc không ngâm những sợi bún dài đã dẫn đến một món pasta có kết cấu cứng như dây thép, không thể cứu vãn được. Đây là một ví dụ điển hình về điều gì có thể xảy ra với một món ăn khi bạn không tuân thủ hướng dẫn một cách cẩn thận.

Giống như trong nấu ăn, việc mắc lỗi trong thiết kế điện tử là điều không thể tránh khỏi, ngay cả với những nhà thiết kế tỉ mỉ nhất. Nhưng một số lỗi quan trọng đến mức bạn sẽ phải bỏ đi toàn bộ bảng mạch in (PCB) và bắt đầu lại từ đầu. Khi bạn đang kiên nhẫn chờ đợi một PCB nguyên mẫu để kiểm tra mạch của mình, điều này có thể gây ra sự chậm trễ tốn kém trong chu kỳ phát triển sản phẩm.

LỖI THIẾT KẾ QUAN TRỌNG TRONG SẢN XUẤT PCB

Chúng ta đều ghét mắc lỗi. Nhưng trên thực tế, đôi khi cần hai hoặc ba lần thử nghiệm để có được thiết kế hoàn hảo. Miễn là chúng ta sửa chữa lỗi trong các thiết kế đầu tiên bằng cách đơn giản cắt bỏ các đường dẫn hoặc dùng dây nối, ảnh hưởng đến quá trình phát triển là tối thiểu. Cùng điều này không thể nói về một số lỗi sau đây mà hầu như luôn làm hỏng PCB của bạn.

1. Sử dụng Footprint Sai

Trong khi hầu hết các thành phần bị động đều có sẵn ở cả hai dạng lỗ thông và dạng gắn mặt, các mạch tích hợp (IC), đặc biệt là IC chức năng đặc biệt, chỉ được sản xuất trong một vài loại gói. Nhầm lẫn giữa Mạch Tích Hợp Dạng Đường Viền Nhỏ (SOIC) và Gói Dạng Đường Viền Nhỏ Co (SSOP) có thể dẫn đến việc cố gắng lắp một IC nhỏ hơn vào một footprint lớn hơn, hoặc ngược lại.

Hãy nhớ kiểm tra loại gói của các linh kiện bằng cách kiểm tra kỹ lưỡng bảng dữ liệu của chúng. Đừng giả định và đảm bảo rằng cả kích thước của IC và kích thước bước chân của nó đều chính xác. Tôi đã học được bài học khi tôi nhầm lẫn sử dụng phiên bản ‘hẹp’ của SOIC vì phiên bản ‘rộng’ có cùng kích thước bước chân.

Sử dụng các linh kiện IC chính xác để tránh lỗi thiết kế sẽ ảnh hưởng đến dấu chân thiết kế.

2. Lỗi Căn chỉnh Bus Địa chỉ

Trong những năm đầu làm nhà thiết kế, yêu cầu bộ nhớ mật độ cao có nghĩa là sử dụng bộ nhớ Flash song song hoặc Bộ nhớ Truy cập Ngẫu nhiên Tĩnh (SRAM). Tôi phải xử lý tới 23 bit địa chỉ và 8 bit tín hiệu dữ liệu. Một sai lầm trong việc khớp các chân địa chỉ của vi điều khiển với các thành phần bộ nhớ có thể dẫn đến một nguyên mẫu không thể sử dụng hoặc mất vài ngày để cắt và tái kết nối các tín hiệu bằng dây nhảy. Để tránh điều này, tôi phải hiểu rõ bus địa chỉ của vi xử lý và cách kết nối mỗi chip bộ nhớ.

3. Thiết kế Mặt đất Kém

Ảnh hưởng của việc thiết kế mặt đất đúng cách có thể không rõ ràng trong các mạch số đơn giản. Nhưng bạn có thể có một lô PCB đã lắp đặt nhưng không chấp nhận được nếu bạn bỏ qua các phương pháp tốt nhất cho mặt đất trong thiết kế mạch tương tự hoặc mạch hỗn hợp. Điều này có thể gây ra nhiễu và nói chuyện chéo, khiến việc sản xuất nhanh một thiết kế tốt hơn trở nên cần thiết.

Trong khi tôi may mắn đủ để cứu vãn được các PCB với kết nối mặt đất kém, giờ đây tôi đảm bảo rằng các thiết kế tương lai tuân thủ các thiết kế mặt đất đúng cách. Hãy nhớ tách biệt mặt đất tương tự và số bằng một điểm duy nhất khi thích hợp và xem xét đường dẫn dòng điện.

4. Lỗ Gắn Không Đúng

Lỗ gắn có thể hữu ích để giảm nhiễu điện từ (EMI). Tuy nhiên, nếu tọa độ lỗ gắn của bạn không chính xác thì bảng mạch hoạt động tốt của bạn sẽ không được cố định vào vỏ của nó. Hãy chắc chắn rằng tọa độ của bạn chính xác, nếu không có thể không có đường dẫn rõ ràng để cố định vít của bạn.

Đối với các thiết kế mà PCB được gắn vào vỏ, việc bắt đầu bố trí PCB với các lỗ gắn được đặt ở tọa độ đúng trước khi lắp các linh kiện khác là rất quan trọng.

Khoan sẽ không giúp ích gì khi bạn đặt sai vị trí lỗ từ đầu.

5. Mật Độ Dòng Điện Quá Cao Trên Đồng Mỏng

Điều gì có thể xảy ra khi bạn đã tính toán ngân sách năng lượng ở cấp độ phụ mạch một cách cẩn thận? Một sai lầm phổ biến là không xem xét tổng dòng điện chạy qua đường dẫn tín hiệu điện áp chính. Một sai lầm khác là không cung cấp đủ chiều rộng cho đồng. Những sai lầm này có thể dẫn đến quá nhiệt hoặc, trong một số trường hợp, làm cho đồng dẫn điện bị đứt gãy hoàn toàn. Phân tích ngân sách năng lượng đúng đắn nên cho bạn biết rõ về chiều rộng đường dẫn cần thiết. Nếu bạn đang làm việc với phần mềm thiết kế PCB chuyên nghiệp như Altium Designer, bạn có thể tận dụng công cụ phân tích giảm điện áp DC để xác minh tính toán của mình.

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ PCB CAD CHO SẢN XUẤT: CÁCH ĐIỀU HƯỚNG TRACE CÓ THỂ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MỐI HÀN

Tín dụng biên tập: Aija Lehtonen / Shutterstock.com

Cách đây vài tuần, tôi đã tham dự một buổi hòa nhạc tri ân nhạc trưởng big band Stan Kenton. Tôi yêu thích nhạc jazz big band vì nhiều lý do, một trong số đó là cấu hình của các nhạc công và nhạc cụ trong ban nhạc. Thông thường có khoảng 15 đến 20 nhạc công chơi các nhạc cụ khác nhau, và mỗi người đều đảm nhận một phần khác biệt. Nếu chỉ một người mắc lỗi, điều đó có thể phá hỏng sự cân bằng của bản nhạc được sắp xếp cẩn thận bởi nhà soạn nhạc.

Sự quan trọng của việc mỗi thành viên trong ban nhạc chơi hòa âm cùng nhau đã nhắc nhở tôi về tầm quan trọng của việc sản xuất đúng cách một bảng mạch in. Nếu chỉ một bộ phận không được hàn chính xác, bảng mạch hoàn thiện có thể gặp phải sự cố gián đoạn, hoặc có thể không hoạt động chút nào. Cũng như một tiếng saxophone chơi sai nốt có thể làm hỏng cả bản nhạc, một mối hàn xấu có thể phá hỏng toàn bộ bảng mạch. May mắn thay, các quy tắc thiết kế cho sản xuất (DFM) có thể giúp bạn tránh được việc gặp phải những mối hàn xấu.

Một lĩnh vực mà các quy tắc DFM có thể giúp bo mạch của bạn có thể sẽ làm bạn bất ngờ. Cách bạn dẫn đường mạch trên PCB của mình có thể ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề hàn, và các quy tắc DFM cung cấp một số hướng dẫn ở đây. Hãy cùng tôi xem xét cách dẫn đường mạch có thể gây ra các vấn đề như mối hàn lạnh hoặc tombstoning để bạn sẽ biết phải tránh những gì trong tương lai.

GÓC CẠNH NHỌN

Vấn đề đầu tiên mà chúng ta sẽ xem xét là góc cạnh nhọn. Mặc dù tình huống này không cụ thể dẫn đến vấn đề hàn, nhưng đây là một vấn đề dẫn đường được ghi nhận trong hướng dẫn DFM PCB.

Góc nhọn trong dẫn đường là những dẫn đường có góc lớn hơn 90 độ. Điều này khiến cho dẫn đường quay trở lại chính nó. Phần góc nhọn tạo ra bởi góc dẫn đường nhọn có thể giữ các hóa chất axit trong quá trình chế tạo. Những hóa chất này không phải lúc nào cũng được làm sạch như chúng nên được trong giai đoạn làm sạch của quá trình chế tạo và sẽ tiếp tục ăn mòn dẫn đường. Điều này cuối cùng có thể dẫn đến việc dẫn đường bị gãy hoặc gây ra các kết nối không ổn định.

Dẫn đường trên PCB

PHẦN TOMBSTONING DO CHIỀU RỘNG DẪN ĐƯỜNG

Hiện tượng "Tombstoning" xảy ra khi một bộ phận nhỏ gồm hai chân, như một điện trở gắn mặt, đứng dựng lên ở một trong hai chân của nó trong quá trình hàn. Điều này xuất phát từ sự mất cân bằng nhiệt độ giữa hai chân trong quá trình tái chảy hàn. Bất kỳ bên nào nóng chảy trước sẽ kéo bộ phận về phía đó, và gây ra hiệu ứng tombstoning.

Một trong những yếu tố có thể gây ra sự mất cân bằng nhiệt này là việc sử dụng các đường dẫn kích thước khác nhau trên hai chân. Đường dẫn càng rộng thì chân mà nó kết nối sẽ càng mất thời gian để nóng lên. Nếu một chân của bộ phận có đường dẫn rất hẹp, và chân kia có đường dẫn rất rộng, bạn sẽ có khả năng gặp phải sự mất cân bằng tái chảy hàn và một chân sẽ nóng chảy và tái chảy trước chân kia.

Thường thì kỹ sư điện tử sẽ muốn một đường dẫn điện năng quá rộng đối với nhà sản xuất để có thể hàn một cách đáng tin cậy. Hướng dẫn thiết kế PCB cho việc sản xuất có các khuyến nghị về độ rộng đường dẫn tối thiểu và tối đa để sử dụng trên các bộ phận kích thước khác nhau, nhưng điều đó có thể không giải quyết được vấn đề của bạn. Điều quan trọng đối với bạn là cân bằng yêu cầu của cả kỹ thuật điện và sản xuất và đạt được sự đồng thuận giữa hai bên. Bằng cách này, bạn có thể đáp ứng nhu cầu của cả hai bên trong thiết kế của mình.

Các quy tắc DFM có thể giúp bạn loại bỏ các vấn đề sản xuất trên bảng mạch của mình.

HÀN LẠNH

Một vấn đề khác có thể xảy ra khi định tuyến các đường dẫn dày hơn là sự hình thành của mối hàn lạnh. Một mối hàn lạnh là mối nơi mà hàn không được tái lưu đúng cách để tạo ra một kết nối tốt, hoặc là hàn đã bị kéo ra khỏi kết nối. Khi định tuyến một đường dẫn dày ra khỏi một pad, kích thước đường dẫn dày có thể cuối cùng kéo hàn ra khỏi pad nơi nó cần thiết để tạo ra kết nối với linh kiện.

Giải pháp là sử dụng các đường dẫn có chiều rộng nhỏ hơn kích thước pad. Một số hướng dẫn DFM khuyến nghị sử dụng đường dẫn không rộng hơn 0.010 mils, mặc dù điều này lại phải được cân nhắc để cân bằng nhu cầu của cả kỹ thuật điện và kỹ thuật cơ khí.

Có nhiều hơn nhiều so với hướng dẫn thiết kế PCB cho việc sản xuất so với những khuyến nghị về định tuyến dấu vết mà chúng tôi đã cung cấp cho bạn ở đây. Hướng dẫn DFM cũng sẽ giúp bạn với các kỹ thuật đặt linh kiện đúng cách, kích thước hình dạng chân đế, và các khía cạnh khác của thiết kế của bạn. Điều này cuối cùng sẽ giúp thiết kế của bạn được sản xuất với ít lỗi nhất có thể. Một bảng mạch không có lỗi trong quá trình sản xuất là phản ánh của một thiết kế tốt và vững chắc, giống như việc nghe ban nhạc Stan Kenton chơi bản Intermission không một lỗi nào.

Phần mềm thiết kế PCB, như Altium Designer, có khả năng định tuyến tiên tiến và các tính năng khác để giúp bạn thiết kế theo các quy tắc DFM của mình một cách tốt hơn. Điều này sẽ giúp bạn giao thiết kế đạt yêu cầu DFM cho nhà sản xuất ngay từ lần đầu tiên.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế tiếp theo của mình để đảm bảo tuân thủ DFM không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.

MẸO THIẾT KẾ VÀ SẢN XUẤT PCB ĐỂ NGĂN CHẶN MẠCH MỞ TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT PCB

Trong vài năm, tôi đã sống ở một thị trấn có một nhà máy sản xuất sô cô la và kẹo. Đó là một thời gian tuyệt vời và khủng khiếp, bởi vì bạn có thể đến nhà máy và mua "hàng giây", hay còn gọi là kẹo không đạt chuẩn, với giá giảm khoảng 75% so với giá bình thường. Thông thường, lỗi chỉ là về mặt hình thức, như sô cô la bị nứt trên lớp caramel, và mọi thứ vẫn có vị hoàn toàn ổn.

Khi một nhà sản xuất PCB mắc lỗi, đôi khi đó chỉ là lỗi về mặt hình thức, và bảng mạch vẫn hoạt động. Một số điều như việc không căn chỉnh đúng cách lớp in cuối cùng có lẽ sẽ không ảnh hưởng đến hiệu suất điện, nhưng một sự không căn chỉnh tương tự của lớp mặt nạ hàn hoặc lớp đồng có thể hoàn toàn phá hủy bảng mạch của bạn. Vì PCB được dùng để dẫn điện, hầu hết các lỗi hiệu suất quan trọng đều liên quan đến điện, như mạch mở, chập mạch, và lỗi đường dẫn hoặc vật liệu.

Tùy thuộc vào nguồn của bạn, mạch mở chiếm khoảng một phần ba các lỗi PCB, đặc biệt là dưới dạng các mối hàn mở. Một số vấn đề có thể gây ra mạch mở trên bảng mạch của bạn, thay đổi từ vật liệu đến quá trình xử lý và xử lý. Dưới đây là những nguyên nhân phổ biến nhất.

KEM HÀN

Nếu keo hàn được áp dụng không đồng đều, hoặc do lượng keo đặt lên thay đổi hoặc một số vị trí bị bỏ sót hoàn toàn, thì sẽ không đủ keo để tạo thành một mối nối chắc chắn. Bạn có thể sẽ phải đối mặt với một mạch hở, hoặc một mối nối yếu và dễ gãy. Một vấn đề khác với keo hàn là nhiệt độ tái lưu không đồng đều trên bề mặt. Nếu bạn từng hâm nóng sô cô la trong lò vi sóng, bạn có thể đã thấy những điểm nóng chảy nhanh hơn phần còn lại. Cùng một loại biến động có thể xảy ra trong quá trình tái lưu hàn. Nếu một số khu vực không đạt đến nhiệt độ tái lưu và liên kết hoàn toàn, kết nối điện sẽ không hình thành, tương tự như việc để lại những mảnh sô cô la chưa tan trong ly cacao hoặc hỗn hợp kem của bạn.

Khi keo hàn được áp dụng, nếu tỷ lệ khía cạnh (tỷ lệ giữa chiều rộng lỗ và độ dày của khuôn) không chính xác, bạn sẽ có nhiều khả năng gặp phải vấn đề với lượng keo hàn đặt lên. Hãy chắc chắn kiểm tra độ dày của lớp, đặc biệt là lớp mặt nạ hàn, với nhà sản xuất của bạn.

Như việc làm tan chảy sô cô la, keo hàn phải đạt đến nhiệt độ tái lưu ở khắp mọi nơi trên bảng mạch của bạn.

Ô NHIỄM

Không ai muốn ăn sô cô la bị nhiễm bẩn. Các thành phần PCB cũng có thể bị nhiễm bẩn. Sự nhiễm bẩn môi trường có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, hoặc trên bảng mạch hoặc trong keo hàn. Nguyên nhân rõ ràng bao gồm sự tràn của hóa chất, bụi và các hạt trong không khí, và dầu từ việc được chạm vào.

Ngay cả độ ẩm trong không khí cũng có thể dẫn đến sự ăn mòn nhanh chóng. Bất kỳ sự nhiễm bẩn hoặc ăn mòn nào của bề mặt pad hoặc chân linh kiện có thể ngăn chặn mối hàn không liên kết đúng cách. Kiểm tra các biện pháp kiểm soát chất lượng từ nhà sản xuất của bạn và sử dụng cách xử lý nội bộ để đảm bảo các bộ phận luôn sạch sẽ và không bị hỏng.

Dấu vân tay trên bảng mạch là một nguồn nhiễm bẩn phổ biến, thường dẫn đến ăn mòn và mối hàn kém

KHE HỞ VÀ NỨT

Khe hở do bất thường bề mặt có thể khiến các khu vực của PCB mất phẳng, làm cho khoảng cách giữa các chân khác nhau trên cùng một linh kiện biến đổi rộng lớn, và ngăn chặn chân linh kiện thậm chí không tiếp xúc với keo hàn trong quá trình tái lưu. Điều này thường xảy ra nếu bạn có biến dạng linh kiện hoặc bất thường mặt nạ hàn, nhưng cũng có thể do các vấn đề không khớp nhiệt khác, vấn đề trong chồng lớp (như bong bóng khí do xử lý không khí không đúng cách), hoặc xử lý bảng mạch một cách vật lý không cẩn thận.

Đôi khi các khe hở và vết nứt đủ nghiêm trọng để có thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng hầu hết bạn sẽ cần sử dụng kính hiển vi hoặc X-quang để tìm ra vấn đề, đặc biệt là với các bao bì linh kiện nhỏ hơn. Tùy thuộc vào ngân sách bạn dành cho việc khắc phục sự cố, bạn có thể phải sử dụng kiểm tra điện để xác định vị trí của mạch hở và yêu cầu nhà sản xuất hoặc phòng thí nghiệm kiểm tra thực hiện phân tích nguyên nhân gốc rễ.

Chỉ cần làm rơi bảng mạch của bạn cũng có thể làm đứt kết nối hàn, đặc biệt nếu chúng đã yếu từ ban đầu, giống như quả trứng sô cô la!

Sai sót trong quá trình sản xuất có thể tốn kém và mất thời gian. Bạn có thể cải thiện quy trình bằng cách quản lý thiết kế và thông tin nhà sản xuất của mình với phần mềm thiết kế bố cục chất lượng, như Altium Designer và Altium Vault.  Bạn muốn tìm hiểu thêm về cách khả năng của Alitum có thể giúp bạn cải thiện quy trình thiết kế và sản xuất của mình không?

Hãy nói chuyện với một chuyên gia thiết kế PCB của Altium.

VIỆC ĐẶT LINH KIỆN CÓ THỂ LÀM TĂNG HOẶC GIẢM NGÂN SÁCH SẢN XUẤT CỦA BẠN

Với mỗi thiết kế PCB mới, đến một lúc bạn phải đưa ra quyết định dựa trên nhiều hơn là hiệu suất một mình. Không gian vật lý thường bị bỏ qua trong thế giới của các phương trình, sơ đồ mạch, và máy hiện sóng—chúng ta thường tập trung vào tính toàn vẹn của tín hiệu hơn là những vấn đề tầm thường như thể tích của linh kiện. Trong những ngày của máy tính chiếm cả phòng, chúng ta không cần phải cẩn thận với không gian của mình. Tuy nhiên, chi phí, thời gian và yêu cầu về không gian đã rõ ràng thay đổi. Bây giờ, có một điểm trong hành trình của mỗi nhà thiết kế khi thực tế về ngân sách của họ (hoặc thiếu hụt của nó) đập vào mặt họ, và chúng ta phải chuyển sang đánh giá hậu quả về chi phí của các quyết định của mình—đặc biệt là cách bố trí bảng mạch ảnh hưởng đến chi phí sản xuất. Chúng ta đã đi một chặng đường dài trong cả khả năng mở rộng của các linh kiện và kiến thức của chúng ta về việc đặt linh kiện. Học hỏi từ những sai lầm của mình, chúng ta có thể xác định một số khu vực chính có thể giúp giữ thiết kế của bạn trong phạm vi ngân sách thân thiện hơn.

ĐIỀU GÌ KHIẾN CHI PHÍ SẢN XUẤT TĂNG VỌT?

Với công nghệ hiện có tại các nhà máy, có vẻ như mọi thứ đều có thể thực hiện với ngân sách nhỏ. Mặc dù điều này có thể đúng trong hầu hết các trường hợp, mỗi bước thêm vào quy trình sản xuất là một bước chắc chắn sẽ được tính phí. Ý tưởng về một thiết kế đơn giản luôn nên được giữ trong đầu, vì các nhà sản xuất sẽ tìm cách tính phí cho bất kỳ công việc thêm nào họ phải làm. Điều này bao gồm việc máy đặt linh kiện nhanh chóng đặt các thành phần trên bảng mạch, các bước hàn dẫn dắt bởi máy, việc lật bảng mạch, thời gian chạm vào của công nhân nhà máy, và vân vân. Càng nhiều công đoạn họ phải xử lý với bảng mạch của bạn, chi phí bạn phải trả càng cao.

TRÁNH CÁC RẮC RỐI VỀ NGÂN SÁCH SẢN XUẤT LIÊN QUAN ĐẾN KHÔNG GIAN

Có hàng trăm mẹo và thủ thuật mà bạn chắc chắn sẽ gặp phải và học hỏi trong suốt quá trình thiết kế của mình. Tuy nhiên, ba chiến lược sau đây là những lựa chọn dễ thực hiện, thân thiện với ngân sách mà bạn luôn nên nhớ.

Các bước thêm vào trong việc sản xuất thiết kế PCB của bạn sẽ làm tăng chi phí.

• Sắp xếp Bảng Mạch của Bạn. Với sự đa dạng công nghệ gắn linh kiện ngày nay, chúng ta có thể phải kết hợp linh kiện gắn qua lỗ với linh kiện gắn mặt. Điều này gây ra một số vấn đề nhỏ cho nhà sản xuất, vì có những cách độc đáo để lắp đặt và hàn từng linh kiện vào PCB. Điều này chắc chắn sẽ thêm vào một loạt các bước và thời gian chạm vào cần thiết để sản xuất bảng mạch—do đó tăng thêm chi phí cho ngân sách sản xuất tổng thể của bạn. Nếu việc giữ một công nghệ gắn linh kiện không thể thực hiện được, thì việc nhóm các linh kiện gắn tương tự lại với nhau ở một bên của bảng mạch sẽ giới hạn số bước cần thực hiện để hàn thành công các nhóm đó. 
• Định hướng Các Linh Kiện Riêng Lẻ.Trong suốt cuộc đời, có thể bạn đã được khuyên rằng hãy giữ cho mọi thứ của mình được sắp xếp gọn gàng. Bất kể bạn đã giữ những con vịt (hoặc các loại gia cầm khác) của mình như thế nào trong suốt những năm qua, tôi phải nhắc lại câu ngạn ngữ cũ kỹ đó liên quan đến thiết kế PCB của bạn. Việc giữ các linh kiện rải rác khắp bảng mạch không phải là một thực hành sai, nhưng chi phí sản xuất của bạn sẽ tăng vọt lên những tầm cao mới. Giữ cho các linh kiện được hướng theo nhau và xếp hàng ngay ngắn sẽ giảm bớt thời gian cần thiết cho việc hàn cũng như giảm thiểu lỗi và các bước phụ cần thiết trong quá trình sản xuất. 
• Giữ Các Linh Kiện Ở Mặt Trên Của Bảng Mạch.Khi làm việc với một bảng mạch hai lớp đơn giản, chúng tôi khuyên bạn nên giữ các linh kiện ở phía trên của bảng mạch. Tùy thuộc vào giới hạn vật lý của bạn, bạn có thể tự nghĩ "Này, tôi đoán mình có thể chuyển một nửa các linh kiện sang một bên, và đặt chúng ở phía dưới. Tôi sẽ tiết kiệm được nhiều không gian!" Tuy nhiên, hãy cẩn thận, vì điều này có thể trở thành một cơn ác mộng trong sản xuất. Trong giai đoạn lắp ráp của việc sản xuất PCB, một máy đặt linh kiện nhanh có thể xử lý nhanh chóng một mặt PCB. Tuy nhiên, nếu bảng mạch của bạn yêu cầu một mặt thứ hai để đặt linh kiện, chi phí của bạn có thể sẽ tăng vọt.

Kỹ thuật đặt linh kiện tốt sẽ giảm chi phí sản xuất của PCB của bạn.

LUYỆN TẬP TẠO NÊN SỰ HOÀN HẢO (VÀ GIẢM CHI PHÍ SẢN XUẤT) 

Như mọi thiết kế trên thế giới này, có nghệ thuật, và có khoa học. Thiết kế PCB của bạn sẽ cần một chút của cả hai. Giữ tổ chức bảng mạch, hướng linh kiện và việc đặt linh kiện ở phía trên trong tâm trí ngay từ những giai đoạn đầu của thiết kế sẽ giữ bạn trên con đường tới sự thỏa hiệp chấp nhận được, trong khi giữ chi phí sản xuất ở mức tối thiểu. 

Một cách tuyệt vời khác để theo dõi ngân sách sản xuất của bạn là với công cụ quản lý danh mục vật liệu. Sau tất cả nỗ lực giảm chi phí thông qua việc đặt linh kiện cẩn thận, bạn vẫn có thể gặp phải chi phí không mong đợi do danh mục vật liệu không chính xác. Lỗi trong danh mục vật liệu được tạo thủ công có thể làm chậm hoặc dừng việc sản xuất thiết kế PCB của bạn, làm tăng thời gian và chi phí. May mắn thay, bạn có thể loại bỏ cơ hội của những lỗi này bằng cách sử dụng công cụ quản lý danh mục vật liệu để tự động tạo danh mục vật liệu PCB của bạn.

Việc tạo ra một danh mục vật liệu PCB không lỗi với công cụ quản lý danh mục vật liệu có vẻ như sẽ là giải pháp hữu ích cho bạn không? Nếu vậy, công cụ BOM của Altium có thể là câu trả lời mà bạn đang tìm kiếm. Nếu có, hãy tìm hiểu thêm thông tin bằng cách trò chuyện với một chuyên gia tại Altium.