Phòng ngừa Lỗi DFM Hàng Đầu trong Thiết kế PCB của Bạn

 

Mỗi bảng mạch nên tuân theo các hướng dẫn DFM (thiết kế cho khả năng sản xuất) để tránh các lỗi sản xuất và lắp ráp tiềm ẩn. Điều này cũng tập trung vào việc giảm chi phí, cải thiện chất lượng và sản xuất không lỗi. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích một số lỗi DFM hàng đầu trong PCB và các kỹ thuật khác nhau để tránh chúng.

Một cái nhìn về Thiết kế PCB cho Sản xuất (DFM)

Phân tích DFM cho phép các nhà sản xuất xem xét thiết kế của bảng mạch từ nhiều khía cạnh để chỉnh sửa vật liệu, kích thước và hiệu suất của nó một cách hiệu quả nhất. Nó phát hiện các vấn đề thiết kế ngay lập tức và khắc phục chúng trước khi sản xuất. Một cách tiếp cận từng bước đối với phân tích thiết kế cho khả năng sản xuất bao gồm các thuộc tính sau:

1. Xác định các vi phạm thiết kế sẽ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất. 
2. Xác định quy trình sản xuất chính xác theo yêu cầu về hình dạng và vật liệu. 
3. Kiểm tra thiết kế bảng mạch và xác định xem thông số kỹ thuật có phù hợp với sản phẩm hoàn thiện không.
4. Lựa chọn vật liệu (dựa trên tính chất, độ bền vật lý, và kết cấu) phụ thuộc vào kích thước của bảng mạch.
5. Đảm bảo thiết kế tuân thủ quy định tuân thủ để đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng và độ tin cậy.

Lỗi DFM hàng đầu

Các vấn đề DFM thường gặp bao gồm các mảnh nhỏ, vòng vỡ, bẫy axit, v.v. Hãy cùng xem xét các vi phạm phổ biến và cách phòng tránh.

Phòng tránh Mảnh nhỏ

Mảnh nhỏ là những mảnh nhỏ của lớp phim khô chống ăn mòn để lộ đồng và tạo ra các mạch ngắn. Chúng có thể là dẫn điện (đồng) hoặc không dẫn điện (lớp chống hàn). Có hai nguyên nhân dẫn đến hình thành mảnh nhỏ. Trường hợp đầu tiên là khi một đặc điểm dài, mảnh của đồng hoặc mặt nạ hàn bị ăn mòn đi. Mảnh nhỏ tách ra gây ra mạch ngắn trong quá trình sản xuất. Trong trường hợp thứ hai, mảnh nhỏ hình thành bằng cách cắt một phần của thiết kế bảng mạch quá gần hoặc quá sâu. Chức năng của bảng mạch có thể bị ảnh hưởng tiêu cực bởi điều này.

Giải pháp:
Thực hiện chiều rộng tối thiểu của lớp phim ảnh để tránh lỗi này. Áp dụng khoảng cách mạng tương tự (ít hơn 3 mils) hoặc khoảng trống có thể được loại bỏ hoặc lấp đầy. Một phân tích DFM đúng đắn là cần thiết để xác định các khu vực có thể hình thành mảnh nhỏ và giải quyết vấn đề nếu có.

 

Lựa chọn Linh kiện

Việc lựa chọn linh kiện nên được thực hiện dựa trên sự có sẵn của chúng, xem xét thời gian dẫn và theo dõi các bộ phận lỗi thời. Điều này đảm bảo linh kiện có sẵn trước khi bắt đầu sản xuất.

Xác định kích thước của các linh kiện và gói bằng cách nghiên cứu kỹ BOM. Bạn có thể chọn các linh kiện lớn hơn cho điện trở và tụ điện khi có đủ không gian. Ví dụ, sử dụng tụ điện/điện trở kích thước 0603 hoặc 0805 thay vì 0402/0201. Sự lựa chọn bị ảnh hưởng bởi điện áp, dòng điện và tần số. Khi có thể, chọn gói nhỏ hơn; nếu không, chọn gói lớn hơn. Lạm dụng gói linh kiện nhỏ có thể làm phức tạp quá trình lắp ráp bảng mạch, từ đó làm cho việc làm sạch và sửa chữa trở nên khó khăn hơn.

 

Điểm Kiểm Tra

DFM bao gồm các điểm kiểm tra cho tất cả các tín hiệu quan trọng để kiểm tra kết nối điện sau khi xây dựng bảng mạch. Nếu bỏ qua, sẽ khó kiểm tra sản phẩm cuối cùng. Dưới đây là một số lời khuyên để tránh các vấn đề sản xuất có thể xảy ra:

• Để dễ dàng kiểm tra, đặt tất cả các điểm kiểm tra ở cùng một mặt của bảng mạch.
• Giữ khoảng cách tối thiểu 0.100 inch giữa các điểm kiểm tra để tăng hiệu quả của bài kiểm tra. 
• Chỉ định khu vực cho các linh kiện cao hơn.
• Phân bổ đều tất cả các điểm kiểm tra để dễ dàng tiếp cận với nhiều đầu dò.
• Thiết kế bố cục của bạn với việc tính toán dung sai sản xuất.

Vias và Khoan đến Đồng

Khoảng cách từ lỗ khoan đến đồng là khoảng cách từ mép lỗ khoan đến tính năng đồng gần nhất. Nhưng các nhà thiết kế PCB xem xét khoảng cách từ lỗ khoan đến đồng từ kích thước lỗ hoàn thiện (FHS) đến tính năng đồng gần nhất.

Nhà thiết kế luôn nên xem xét đường kính khoan (FHS + dung sai khoan) để xác định khoảng cách chính xác. Đường kính khoan có thể được xác định từ phương trình dưới đây:

Kích thước lỗ hoàn thiện + dung sai = đường kính khoan

Thông thường, khoảng cách nên là 5-8 mil nhưng nó phụ thuộc vào số lượng lớp. Công cụ sắp xếp bảng mạch không có bất kỳ kiểm tra quy tắc thiết kế (DRCs) cụ thể nào cho khoảng cách từ lỗ khoan đến đồng. Tuy nhiên, nếu bạn sử dụng khoảng cách đủ trong thiết kế của mình, bạn có thể có một khoảng trống 8 mil. Đây là thuộc tính quan trọng nhất cần xem xét khi thực hiện phân tích DFM.

 

Trong các vòng annular, sự tiếp xúc hoặc vỡ có thể xảy ra khi mũi khoan không đạt được vị trí mong muốn và di chuyển ra khỏi trục đó. Điều này gây ra các kết nối biên và ảnh hưởng đến độ tin cậy.

 

Dưới đây là một số mẹo để tránh các vấn đề DFM xảy ra trong quá trình khoan:

• Hãy tích hợp các khu vực vòng annular rộng vào thiết kế của bạn bằng cách điều chỉnh kích thước pad lớn hơn. Điều này đảm bảo tính dẫn điện tốt và dễ dàng khoan vias ở giữa pad.
• Kiểm tra xem các lỗ khoan mạ có pad đồng trên tất cả các lớp đồng hay không.
• Sierra Circuits khuyến nghị tối thiểu 8 mils khoảng cách từ lỗ khoan đến đồng.
• Duy trì tỷ lệ khía cạnh tối thiểu để ngăn chặn sự lệch vị trí của lỗ khoan.
• Xác định loại lỗ khoan (PTH/NPTH) và số lượng/kích thước lỗ khoan.
• Đảm bảo các đặc điểm đồng và lỗ khoan phải nằm gọn trong hồ sơ của bảng mạch.
• Thiết kế một vòng annular lớn hơn hoặc bằng kích thước vòng annular tối thiểu (4 mils) có thể được nhà sản xuất/fab house chế tạo.
• Thêm hình giọt nước để ngăn chặn vỡ vòng annular trong các thiết kế phức tạp và vòng annular nhỏ hơn. 

Số Lượng Lỗ Khoan Phải Phù Hợp với Bảng Lỗ Khoan

Việc khớp số lượng lỗ khoan với bảng lỗ khoan là rất quan trọng. Bảng lỗ khoan được bao gồm trong bản vẽ fab. Đôi khi bảng lỗ khoan không khớp với số lượng lỗ khoan thực tế. Trong trường hợp đó, bạn sẽ cần phải chỉnh sửa hoặc tạo lại bảng lỗ khoan.

 

Là một điểm thiết kế đơn giản, hãy cố gắng giảm thiểu số lượng các kích thước khoan khác nhau được sử dụng trong bố cục PCB. Tốt nhất là chọn một hoặc hai kích thước via có thể xử lý hầu hết các chuyển tiếp giữa các lớp cho tín hiệu và có thể một vài kích thước khác sẽ được sử dụng cho các lỗ gắn hoặc lỗ không mạ.

Khoảng cách

Có ba loại khoảng cách cần quan sát trong phân tích DFM.

Khoảng cách cạnh:

Nhiều nhà thiết kế quên không cung cấp khoảng cách đủ giữa đồng và cạnh của PCB. Sự gần gũi của đồng với cạnh có thể tạo ra các mạch ngắn giữa các lớp liền kề nếu dòng điện được áp dụng cho chúng. Điều này là kết quả của đồng tiếp xúc xung quanh viền của bảng mạch. Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách thêm khoảng cách vào thiết kế. Kiểm tra các ước lượng sau:

• Cho lớp ngoài: 0.010”
• Cho lớp trong: 0.015”

Khoảng cách dây:

Khoảng cách dây là khoảng cách tối thiểu giữa hai dẫn. Nó phụ thuộc vào vật liệu, trọng lượng đồng, biến đổi nhiệt độ và điện áp áp dụng. Nó cũng phụ thuộc vào khả năng của nhà sản xuất.

 

Khoảng cách mặt nạ hàn:

• Giữ khoảng cách mặt nạ hàn lớn hơn miếng đệm hàn, trừ trường hợp của miếng đệm hàn được định nghĩa bởi mặt nạ hàn.
• Cách tốt nhất để ngăn chặn cầu nối hàn là mở rộng lỗ mặt nạ ra phía bên ngoài pad đồng hoặc cung cấp giảm áp cho thùng (khoảng cách mặt nạ hàn = kích thước khoan + 3 mils).

 

Thiếu Mặt Nạ Hàn

Đôi khi, mặt nạ hàn có thể bị thiếu một phần hoặc hoàn toàn giữa các pad. Điều này làm lộ ra quá nhiều đồng, dẫn đến cầu nối hàn và chập mạch làm ảnh hưởng đến hiệu suất của bảng mạch. Điều này xảy ra khi mặt nạ hàn không được xác định hoặc khi cài đặt từ một bảng mạch lớn hơn được áp dụng cho một bảng mạch nhỏ hơn, dẫn đến lỗ pad lớn. 

 

Theo dõi những mẹo thiết kế này cho mặt nạ hàn:

Kích thước tương đối của mặt nạ hàn nên lớn hơn kích thước đặc điểm 4 mils.
Giữ chiều rộng/cầu của mặt nạ hàn ở mức tối thiểu 4 mils.
Duy trì khoảng cách giữa mép của đặc điểm đồng và mép của hàn là 2 mils.

Bẫy Axit

Một lỗi DFM khác cần chú ý là bẫy axit. Bẫy axit cơ bản là bất kỳ thiết kế nào bao gồm các góc nhọn sẽ thu hút nồng độ axit đến khu vực đó. Điều này có thể dẫn đến việc ăn mòn quá mức các đường dẫn và mạch mở là sản phẩm phụ của bẫy axit. 

 

Tránh đặt các đường dẫn đến các pad dưới góc nhọn. Đặt các đường dẫn ở góc 45° hoặc 90° so với các pad. Xác minh rằng không có góc nào của đường dẫn tạo ra bẫy axit sau khi định tuyến các đường dẫn.

Kiểm Tra Silkscreen

Kiểm tra Silkscreen bao gồm các thuộc tính khác nhau sẽ ảnh hưởng đến phân tích DFM và sẽ ngăn chặn các lỗi có thể xảy ra. Dưới đây là một số hướng dẫn quan trọng:

Hướng: Silkscreen có thể nằm trên các pad, và điều này nên được kiểm tra bằng cách chạy một DRC. Silkscreen cũng có thể chồng lên lỗ via, mặc dù điều này được chấp nhận nếu các via được che phủ. Điều này có thể xảy ra khi xoay văn bản và điều chỉnh các dấu hiệu chỉ dẫn thành phần tham chiếu. Cắt bớt các dấu hiệu chỉ dẫn tham chiếu đi qua các pad và via để ngăn chặn sự chồng chéo.

Độ rộng đường và chiều cao văn bản: Chúng tôi khuyến nghị độ rộng đường tối thiểu là 4 mil và chiều cao văn bản là 25 mil để dễ đọc. Luôn sử dụng màu sắc tiêu chuẩn và các hình dạng lớn hơn để có sự biểu diễn tốt. Thông thường, kích thước nên là 35 mil (chiều cao văn bản) và 5 mil (độ rộng đường). Nếu bảng mạch không dày đặc và có đủ không gian cho văn bản lớn, sử dụng kích thước sau:

Nếu các thông số kỹ thuật trên không phù hợp cho một bảng mạch mật độ trung bình, hãy sử dụng kích thước sau:

Chiều cao	Chiều rộng	Đường dẫn
35 mils	25 mils	5 mils

Khi kích thước trên không phù hợp, hãy tham khảo như sau: Đối với một bảng mạch mật độ trung bình:

Chiều cao	Chiều rộng	Đường dẫn
25 mils	22 mils	5 mils

Phương pháp in silkscreen: Phương pháp cụ thể ảnh hưởng đến nhiều tham số thiết kế như kích thước, khoảng cách, v.v., và các yếu tố như pad, via và đường dẫn. Xác định những yếu tố này theo in silkscreen thủ công, hình ảnh chụp nhanh bằng chất lỏng, và in trực tiếp huyền thoại.

Ưu tiên các dấu hiệu: Ưu tiên dấu hiệu silkscreen theo phân loại: yêu cầu quy định, nhận dạng nhà sản xuất, hỗ trợ lắp ráp, và hỗ trợ kiểm tra.

Tuân theo các hướng dẫn thiết kế cho khả năng sản xuất giúp bạn nhận biết lỗi ở giai đoạn thiết kế sớm. May mắn thay, động cơ DRC trong Altium Designer® có thể giúp bạn phát hiện những vấn đề này trước khi bạn tiến hành sản xuất. Sau khi bạn tham khảo ý kiến từ nhà sản xuất của mình, 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 đội ngũ 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 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.