5 Lời Khuyên Hàng Đầu Về Thiết Kế Cho Sản Xuất cho năm 2019

Gần đây, khi tôi đang lướt qua một blog lớn về ngành công nghiệp điện tử, tôi đã tình cờ thấy một bài viết về 10 lỗi ‘thiết kế cho sản xuất’ hàng đầu. Tôi đọc bài viết với suy nghĩ rằng nó có thể thú vị và sáng tạo, nhưng đến nỗi ngạc nhiên của tôi, nó chủ yếu là bản sao chép của một bài viết tôi đã đọc 10 năm trước, mà bản thân nó cũng là một bản tái chế của một bài viết gần 10 năm tuổi hơn nữa. Tôi không phải là người ủng hộ việc tái chế các bài viết cũ và gắn nhãn chúng là ‘nội dung mới’, vì đó là cách tạo ra và duy trì các quy tắc ngón tay cái sai lầm hoặc tồi tệ hơn, là ‘các phương pháp tốt nhất trong ngành’ không hợp lệ. Ngành công nghiệp điện tử thay đổi nhanh chóng đến mức hầu hết nội dung được viết hơn một thập kỷ trước nay đã lỗi thời. Hãy cùng xem xét một số lỗi hàng đầu mà các bài viết này đã đề cập và làm sáng tỏ chúng, sau đó xem xét một số mẹo hàng đầu thực sự phù hợp với các tiêu chuẩn ngành hiện nay.

Lỗi Hàng Đầu trong Các Lỗi Hàng Đầu

Tránh Góc Nhọn

Chúng ta đang ở nửa sau của năm 2019; chúng ta đang sống trong kỷ nguyên mà ngay cả những PCB mẫu thử rẻ tiền, tầm thường nhất cũng được kiểm tra bằng phương pháp thăm dò bay để loại bỏ những tấm bảng có bất kỳ lỗi điện nào, ngay cả khi vấn đề là do quá trình ăn mòn. Lỗi lớn nhất mà một bài báo cũ tôi đọc cảnh báo chúng ta nên tránh là góc nhọn, bởi vì chúng có thể tạo ra bẫy axit. Nếu bạn sử dụng chuyển giao toner và ăn mòn tại nhà, điều này có thể đúng, nhưng với các phương pháp sản xuất hiện đại, điều này sẽ không phải là vấn đề.

Các dung dịch ăn mòn kích hoạt bằng ánh sáng được sử dụng trên các tấm bảng với lớp phủ chống ăn mòn kích hoạt bằng ánh sáng rất phổ biến trong các nhà máy sản xuất bảng mạch. Những chất ăn mòn này tạo ra các đặc điểm sắc nét, và nếu dung dịch ăn mòn tụ lại, nó sẽ không nhận đủ ánh sáng để kích hoạt. Bạn thậm chí có thể sử dụng lớp phủ chống ăn mòn kích hoạt bằng ánh sáng tại nhà rất dễ dàng. Quy trình ăn mòn hiện đại làm giảm đáng kể rủi ro của bẫy axit hơn bao giờ hết.

Tránh Via-trong-Pad

Tôi đồng ý chung là việc sử dụng via-trong-pad là một sai lầm. Tuy nhiên, bài viết đã sử dụng một ví dụ trong đó via-trong-pad thực sự nên được sử dụng vì lý do nhiệt. Nhiều thiết bị dòng cao yêu cầu via-trong-pad đến mức nhà sản xuất khuyến nghị sử dụng nó cho bản in chân. Đó là cách duy nhất bạn có thể làm mát gói thiết bị một cách hiệu quả.

Bài viết đã khẳng định rằng nếu bạn sử dụng via-trong-pad, nó sẽ hút hết hàn và để lại mối hàn khô. Điều này là 100% đúng; hiện tượng mao dẫn thực sự sẽ kéo hàn qua, tuy nhiên, việc che chắn via ở cả hai mặt sẽ ngăn chặn hoàn toàn điều này. Trong trường hợp cụ thể, nếu bạn thực sự không muốn có lớp mặt nạ hàn trên pad của mình, bạn có thể che chắn chỉ mặt đối diện của via so với pad. Điều này hoạt động đối với các via lên đến 0.4mm một cách khá đáng tin cậy, nhưng nếu bạn vẫn còn do dự, bạn có thể thêm một số silkscreen vào via ở mặt đối diện nữa, như vậy đảm bảo via được che kín hoàn toàn.

Ngẫu nhiên, không chỉ là việc cần phải cẩn thận với vias trên pad. Nếu bạn đặt một via chưa được che phủ gần pad, nó cũng có thể hút hàn khỏi pad của bạn.

Tránh Sử Dụng Nhiều Kích Cỡ Dụng Cụ Khác Nhau

Bài viết đã lập luận rằng nếu nhà sản xuất của bạn sẽ làm việc với các dung sai cực kỳ chặt chẽ, việc sử dụng nhiều kích cỡ lỗ tương tự nhưng không hoàn toàn giống nhau trên bảng mạch của bạn có thể làm tăng chi phí bảng mạch. Tuy nhiên, một cái nhìn vào công nghệ khoan hiện nay cho thấy điều này xa với sự thật. Hộp đựng dụng cụ trong các máy khoan PCB công nghiệp chứa đầy mọi kích cỡ mũi khoan micro mà loài người biết đến, và việc thay đổi dụng cụ diễn ra cực kỳ nhanh chóng. Ngay cả khi tất cả các lỗ 13.5mil và 14mil đều được khoan bằng mũi khoan kích thước chính xác của chúng, nó có thể chỉ mất thêm một hoặc hai giây cho mỗi tờ PCB. Nói chung, nhà sản xuất bảng mạch sẽ chỉ làm tròn tất cả các lỗ này về một kích cỡ miễn là kích thước đó nằm trong yêu cầu dung sai của họ hoặc trong các dung sai bạn đã chỉ định trên bản vẽ.

Tương tự như vậy đối với các khe trên PCB. Tôi chưa tìm thấy nhà sản xuất PCB nào sẽ phạt tôi vì sử dụng các khe rất nhỏ (30-40mil) hoặc yêu cầu một lộ trình phay riêng biệt để làm vuông các góc từ một công cụ lớn hơn trên một khe với một máy phay đầu 20mil.

Tránh Silkscreen trên Pads

Việc tránh silkscreen từ một linh kiện lên pad của linh kiện khác có thể là không thể với một bảng mạch được định tuyến chặt chẽ. Trong thư viện Altium của tôi, tôi sử dụng cả một dấu chấm silkscreen chỉ định chân 1 và một tính năng silkscreen dưới linh kiện khi có thể để làm cho việc xác định hướng dễ dàng hơn vì lý do chính xác này. Tôi vẫn chưa tìm thấy nhà sản xuất bảng mạch giá rẻ hay đắt tiền nào sẽ không tự động làm sạch silkscreen khỏi pads cho bạn, hoặc ít nhất hỏi bạn có muốn họ làm điều đó không.

Nếu bạn nhận được một bảng mạch với silkscreen trên một pad, nó chắc chắn có thể gây ra các vấn đề lớn với việc ướt hàn trên pad đó, điều này sẽ gây ra một mối nối xấu. Tuy nhiên, với các nhà sản xuất ngày nay, đó không phải là vấn đề tôi đã trải qua.

Không Thêm Solder Mask Giữa Các Pads

Lỗi này khiến tôi không khỏi lắc đầu ngạc nhiên. Làm sao bạn có thể quên thêm lớp mặt nạ giữa các pad trên bảng mạch? Altium và hầu hết các công cụ thiết kế khác sẽ tự động xử lý việc này cho bạn. Nhiều linh kiện có khoảng cách giữa các pad không cho phép bất kỳ lớp mặt nạ hàn nào giữa các pad. Tuy nhiên, tôi đã thấy Altium tạo ra lớp mặt nạ giữa các pad chỉ rộng 1/1000 mil. Ngay cả các quy tắc thiết kế mặc định trong Altium cũng hoạt động hoàn hảo cho việc chỉ định mặt nạ hàn giữa các pad.

Nếu lớp mặt nạ giữa các pad quá nhỏ, một nhà sản xuất bảng mạch tốt sẽ thông báo cho bạn trước khi tiếp tục, và một nhà sản xuất bảng mạch ít quan tâm hơn sẽ chỉ xóa bỏ tính năng đó và tiếp tục.

Kích Thước Footprint Sai

Trong nhiều năm nay, tôi đã xuất bản một thư viện cơ sở dữ liệu mã nguồn mở lớn của các linh kiện cho phép bạn đặt các bộ phận có thể mua được trong thế giới thực vào thiết kế của mình ở cấp độ nắm bắt sơ đồ. Với các mô hình 3D chính xác và đầy đủ, cùng với khả năng xem 3D của bảng mạch và kiểm tra va chạm trên các thân hình 3D của Altium, rất khó để hoàn thành một thiết kế mà các bộ phận va chạm vào nhau. Bây giờ bạn có thể nhận được cùng một chức năng trên một phạm vi rộng lớn hơn các linh kiện sử dụng Concord Pro, một sản phẩm bổ sung cho Altium.

Đã ít nhất 5 năm kể từ lần cuối cùng tôi có khả năng chỉ định sai một bộ phận trong bảng vật liệu của mình mà không phù hợp với bản in mình đã đặt trên bảng mạch. Tôi sẽ coi đây là 'lỗi' do không sử dụng những công cụ tốt nhất trong quá trình thiết kế, thay vì là một lỗi với quy trình thiết kế.

Mẹo hàng đầu của tôi

Bây giờ chúng ta đã loại bỏ một loạt 'lỗi lớn' từ những năm qua, hãy xem xét một số mẹo có thể giúp bạn nếu bạn mới bắt đầu với việc thiết kế cho sản xuất.

Khoảng cách xung quanh các bộ phận cố định

Rất dễ để đặt một lỗ cơ khí cho phụ kiện và quên không tính toán kích thước đầu của phụ kiện đó có thể lớn như thế nào. Điều lớn hơn, nhưng một cách trớ trêu dễ quên hơn, là miếng đệm cho phụ kiện đó. Tôi thường đặt một via với lỗ thông hơi đúng cho phụ kiện và chỉ định vòng đồng (vòng tròn bằng đồng gắn liền với nó) có kích thước bằng với miếng đệm lớn nhất có sẵn cho phụ kiện đó (trong trường hợp có nhiều tiêu chuẩn miếng đệm), cộng thêm một chút nữa. Nếu bạn thực sự cần chạy một đường dẫn dưới đầu của phụ kiện và bạn không thể làm nó theo cách nào khác, hãy thêm một lớp silkscreen chắc chắn phủ lên khu vực phụ kiện như một lớp bảo vệ thêm cho đường dẫn của bạn. Lượng bảo vệ thêm nhỏ bé mà silkscreen cung cấp có thể là thứ cứu đường dẫn của bạn khỏi hư hại khi ai đó siết chặt phụ kiện quá mức.

Để chắc chắn hơn nữa, hãy thêm một mô hình 3D của phụ kiện vào bảng mạch của bạn và lắp nó vào lỗ. Điều này sẽ đảm bảo bạn có thể lắp và tháo phụ kiện ra vào, và bạn không đặt thân của linh kiện khác cản trở.

Khoảng Cách Đồng Đến Cạnh Bảng Mạch

Altium hầu như đã tự lo liệu việc này cho bạn. Tuy nhiên, nếu bạn đã bỏ qua các cài đặt mặc định để lẻn một đường dẫn vào, hãy chắc chắn rằng nó không quá gần mép. Nhiều bài viết trực tuyến sẽ đề cập đến sự ăn mòn như một trở ngại không thể chối cãi khi tối ưu hóa khoảng cách đồng, bởi vì bạn không muốn đồng tiếp xúc và không phủ. Tuy nhiên, khi chạy một đường dẫn mảnh gần mép của bảng mạch, máy phay cuối/máy khoan rãnh có thể làm vỡ đường dẫn và phá hủy nó. Khi sử dụng V-Scoring để tách các bảng trong một tấm, điểm chấm sẽ chiếm một độ rộng nhất định và không luôn luôn chính xác, điều này có thể dễ dàng làm hỏng hoặc loại bỏ đường dẫn.

Sau khi đặt các khe trên bảng, tôi thường kiểm tra lần cuối để cố gắng tìm lỗi với khoảng cách trước khi tôi nộp công việc của mình. Đã có những lần tôi vô tình chạy một đường dẫn trên một lớp nội bộ ngay qua một khe. Trong tùy chọn bảng mạch của bạn, thiết lập lớp phay thành lớp mà bạn có đường dẫn phay để Altium sẽ hiển thị các khe cắm trong chế độ xem 3D. Sau đó, sao chép lớp phay sang lớp giữ ngoại vi của bạn để đảm bảo các quy tắc thiết kế sẽ làm nổi bật bất kỳ vấn đề hiện tại nào, và ngăn chặn bất kỳ vấn đề nào trong tương lai.

Phủ Kín Các Via của Bạn

Altium có các quy tắc thiết kế cho việc mở rộng lớp mặt nạ hàn trên các via, có thể được sử dụng cho việc che phủ, vì vậy hãy tận dụng chúng. Bất cứ thứ gì dưới 15mil/0.4mm nên được che phủ. Nếu lớn hơn, bạn có thể muốn xem xét độ dày của lớp mặt nạ hàn từ nhà sản xuất bo mạch của bạn. Một via được che kín hoàn toàn là điều tốt, vì nó ngăn chất ăn mòn như flux, bụi bẩn và độ ẩm xâm nhập vào lỗ và làm ăn mòn via của bạn.

Khi lỗ trở nên quá lớn để che phủ hoàn toàn, việc cố gắng che phủ nó có thể thay vào đó tạo ra một lỗ được che phủ chủ yếu, dễ dàng bẫy những thứ bạn đang cố gắng ngăn chặn hơn. Trong những trường hợp như vậy, bạn sẽ tốt hơn là sử dụng các via không được che phủ và cho phép lớp phủ bảo vệ lỗ. Tuy nhiên, hãy giữ khoảng cách mặt nạ hàn xung quanh lỗ khá nhỏ, vì bạn không muốn via trở thành một vị trí tiềm năng cho một mạch ngắn.

Các bo mạch có thông số kỹ thuật cao rất có thể sẽ được lấp đầy bằng epoxy trong quá trình sản xuất. Nếu bạn đang thiết kế những bo mạch đó, những mẹo chúng tôi đã đề cập có lẽ không liên quan đến bạn vì bạn đã vượt qua giai đoạn cần bất kỳ mẹo thiết kế cho việc sản xuất nào!

Bo Mạch Hai Mặt

Rất nhiều sản phẩm tôi thiết kế sử dụng bảng mạch hai mặt. Tuy nhiên, bạn nên có lý do chính đáng để chuyển sang thiết kế hai mặt. Nếu bạn chỉ muốn đặt một hoặc hai linh kiện thụ động ở mặt dưới của bảng mạch, bạn có thể gặp khá nhiều khó khăn khi bắt đầu lắp ráp. Hãy hoàn toàn cam kết với thiết kế hai mặt hoặc giữ nguyên thiết kế một mặt. Nếu bạn không có lý do thực sự tốt để đặt linh kiện ở cả hai mặt của bảng mạch, hãy chỉ giữ chúng ở lớp trên cùng. Nếu các ràng buộc về kích thước hoặc các yêu cầu về mật độ bảng mạch yêu cầu một số lượng đáng kể linh kiện phải được đặt ở mặt dưới, thì cứ để vậy.

Bạn cũng có thể xem xét việc sử dụng linh kiện gói nhỏ hơn để giành lại một số không gian trên bảng mạch. Đối với hầu hết các nhà lắp ráp, linh kiện 0402 không đòi hỏi nhiều và sẽ rẻ hơn nhiều so với việc đặt linh kiện ở cả hai mặt của bảng mạch. Nhiều nhà lắp ráp sẽ không có chi phí phát sinh hoặc lãng phí đáng kể khi sử dụng linh kiện thụ động 0201, có thể giúp bạn tiết kiệm một lượng lớn không gian ngay cả khi bạn đã sử dụng linh kiện 0402. Hãy kiểm tra với nhà lắp ráp trước khi sử dụng 0201 hoặc nhỏ hơn, vì máy móc cũ có thể không thể xử lý chúng một cách đáng tin cậy. Nếu nhà lắp ráp có thể xử lý linh kiện nhỏ hơn, nó có khả năng sẽ rẻ hơn nhiều so với việc dựa vào lắp ráp hai mặt.

Xác minh Các Tệp Đầu ra của Bạn

Cuối cùng, và tôi hy vọng điều này không cần phải nói, hãy chắc chắn rằng tất cả các tệp đầu ra của bạn đều có mặt. Tôi đã trải qua những tình huống khi tôi quên không thêm tệp khoan NC vào tệp công việc đầu ra, hoặc vô tình bỏ chọn quá nhiều lớp cho các tệp gerber. Sử dụng một trình xem gerber, kể cả chỉ là cái được tích hợp sẵn trong Altium, để kiểm tra xem tất cả các đa giác của bạn đã được hiển thị đầy đủ, tất cả các lỗ khoan đều có mặt, và lớp silkscreen và lớp mặt nạ có mặt ở những nơi cần thiết. Nếu bạn gửi bảng mạch cho một nhà lắp ráp hoặc một nhà sản xuất hợp đồng, hãy chắc chắn rằng bạn có lớp kem hàn, trung tâm chọn và đặt, và bản vẽ lắp ráp được xuất khẩu nữa.

Mẹo Bổ sung - Thermals

Tôi phải thừa nhận, thermals là một điều khá khó chịu đối với tôi. Một số phần mềm mặc định thêm thermals vào hầu như mọi thứ. Nếu bạn thêm một via, nó sẽ có thermal; thêm một pad, nó cũng sẽ có thermal. Thermals có thể tạo ra các điểm có độ tự cảm cao và bắt đầu gây ra vấn đề với các tín hiệu tốc độ trung bình và cao. Trong các tình huống dòng điện cao, phần tiết diện đồng thấp của thermal có thể không đủ khả năng dẫn dòng điện.

Các bản nhiệt có thể làm cho việc hàn tay trở nên dễ dàng hơn trong các lớp đồng lớn, và có thể đã được yêu cầu cho các máy hàn sóng cũ. Nếu bạn đang thiết kế một bảng mạch chủ yếu là bề mặt gắn với một vài bộ phận xuyên lỗ như các kết nối, không có nhiều trường hợp sử dụng cho một bản nhiệt trên một pad. Các bộ phận gắn bề mặt sẽ trải qua quá trình hàn reflow, trong khi đó các bộ phận xuyên lỗ sẽ được hàn bằng máy hàn chọn lọc.

Khả năng ngăn chặn sự chuyển nhiệt từ pad sang một lớp đồng lớn hoạt động theo cả hai hướng. Một mặt, nó có thể làm cho việc lắp ráp dễ dàng hơn một phần, nhưng mặt khác, nó cũng sẽ ngăn chặn bất kỳ sự thoát nhiệt nào từ gói. Tôi đã thấy nhiều bảng mạch sản xuất với gói D-Pak (TO-252) hoặc gói tương tự có bản nhiệt trên pad đất, điều này hoàn toàn phá hủy khả năng tản nhiệt của gói.

Mật độ dòng điện trên gói có dòng điện cao với bản nhiệt được kích hoạt. Hãy tưởng tượng vấn đề nhiệt.

Tương tự, bản nhiệt trên vias sẽ hạn chế nghiêm trọng khả năng chuyển dòng điện và nhiệt mà chúng có thể truyền. Còn tồi tệ hơn, việc tụ vias lại với nhau để tăng thêm nhiệt hoặc dòng điện có thể làm cạn kiệt khu vực của bất kỳ đồng nào và phá hủy khả năng chịu dòng điện hoặc nhiệt trong toàn bộ khu vực.

Nếu bạn đang thiết kế các bảng mạch cho quy trình sản xuất và lắp ráp hiện đại, bạn có thể thêm các tính năng mà có lẽ không đáng tin cậy một hoặc hai thập kỷ trước. Khối lượng và độ phức tạp của các bảng mạch trong 2 thập kỷ qua đã tăng lên một cách chóng mặt. Để cho phép tốc độ thay đổi này, các nhà sản xuất PCB đã sử dụng các phương pháp hiệu quả, chính xác và hiệu quả hơn để tạo ra các bảng mạch cho các thiết kế cực kỳ tinh vi. Kiểm tra điện sau khi sản xuất là tiêu chuẩn ngay cả trong các cơ sở sản xuất có ngân sách thấp nhất, và nó bắt được phần lớn các vấn đề sản xuất. Nếu bạn đang thiết kế một bảng mạch dòng cao sử dụng công cụ phân tích phân phối điện năng như PDN Analyzer từ Altium, có thể giúp phát hiện lỗi liên quan đến diện tích đồng không đủ cho ứng dụng. Nếu thiết kế của bạn không đủ mạnh để xử lý dòng điện, tần số, hoặc yêu cầu nhiệt của ứng dụng, không quan trọng nếu bảng mạch có chức năng điện hay không.

Bạn có thêm câu hỏi? Hãy gọi cho chuyên gia tại Altium.