Průvodce návrhem desek plošných spojů pro lepší spolehlivost pájení a výrobu desek plošných spojů

Plošný spoj na desce plošných spojů může vypadat jako malý měděný prvek, ale má zásadní vliv na to, zda lze desku čistě sestavit, efektivně otestovat a spolehlivě používat v praxi. V mnoha projektech lze vady pájení, slabé spoje, nadzvedávání plošek, poškození, průrazy nebo nestabilní elektrický kontakt často vysledovat až k rozhodnutím o návrhu plošek učiněným mnohem dříve ve fázi návrhu.

Proto jsou kontaktní plošky na deskách plošných spojů důležité daleko za hranicemi knihovny stop. Ploška není jen místem, kde se součástka dotýká desky. Ovlivňuje objem pájky, tepelnou rovnováhu, vyrobitelnost, přístup pro kontrolu, elektrické připojení a dlouhodobou spolehlivost. Pokud je geometrie plošky nesprávná, i dobré schéma a správné rozvržení mohou způsobit problémy během montáže.

Tato příručka vysvětluje, co je to kontaktní ploška pro plošné spoje (PCB), jak se liší kontaktní plošky pro povrchovou montáž od plošek pro montáž do otvoru, kdy se používá kontaktní ploška pro PCB, co znamená „padstack“ v návrhu PCB, jak se srovnávají kontaktní plošky NSMD a SMD BGA, proč ruční návrh plošek často způsobuje vady a jak vytvářet struktury plošek, které se snadněji vyrábějí a montují. Pokud pracujete na... Návrh desky plošných spojů, přípravu souborů pro výrobu nebo snahu o zlepšení výtěžnosti montáže, pochopení návrhu padů vám pomůže vyhnout se nákladným problémům před zahájením výroby.

Co je to deska plošných spojů (PCB)

Povrchová úprava desky plošných spojů (PCB pad) je odkrytá kovová oblast na desce plošných spojů, kde je připájen nebo elektricky připojen vývod, svorka, kontaktní bod nebo testovací bod součástky. Ve většině případů je podložka vyrobena z mědi a opatřena povrchovou úpravou, která podporuje pájitelnost, vodivost a trvanlivost.

Plošky na deskách plošných spojů se používají jak pro povrchovou montáž, tak i pro montáž do otvorů. V závislosti na účelu obvodu se mohou připojovat k vodičům, propojovacím bodům, rovinám, konektorům, testovacím rozhraním a zakončením pouzdra. Ačkoli ploška vypadá jednoduše, přímo ovlivňuje jak elektrické vlastnosti, tak kvalitu výroby.

Pro inženýry a kupující je toto praktické ponaučení: deska plošných spojů není jen výkresovým prvkem v CADu. Je to výrobní prvek. Pokud je poddimenzovaná, naddimenzovaná, špatně rozmístěná nebo neodpovídá pouzdru, deska může na obrazovce stále vypadat správně, ale během pájení nebo kontroly selhat.

Typy desek plošných spojů a jejich použití

Ne všechny kontaktní plošky na deskách plošných spojů slouží stejnému účelu. Používají se různé struktury kontaktních plošek v závislosti na typu součástky, procesu montáže, mechanickém namáhání a způsobu kontaktu.

Podložky pro povrchovou montáž

Pájecí podložky pro povrchovou montáž, nazývané také SMT nebo SMD, jsou určeny pro součástky, které se montují přímo na povrch desky. Tyto podložky jsou běžné v moderní elektronice, protože podporují kompaktní uspořádání, automatizované umisťování a montáž s vysokou hustotou. Jejich velikost, tvar, rozteč a chování pájecí pasty ovlivňují kvalitu přetavení. Pokud vaše deska používá... SMD a SMT U součástí je geometrie destiček obzvláště důležitá, protože i malé chyby mohou způsobit přemostění, zkosení nebo slabé spoje.

Průchozí otvory

Průchozí kontaktní plošky se používají pro součástky, jejichž vývody procházejí vyvrtanými otvory v desce plošných spojů. Tyto plošky se stále široce používají pro konektory, transformátory, výkonová zařízení, velké kondenzátory a součástky, které vyžadují silnější mechanickou oporu.

Existují dvě hlavní formy:

• Pokovené podložky pro průchozí otvory použijte měděný pokov na stěně otvoru k vytvoření elektrického propojení mezi vrstvami.
• Nepokovené podložky pro průchozí otvory používají se tam, kde není vyžadováno elektrické vedení otvorem, například při mechanické montáži nebo izolačních prvcích.

Kontaktní podložky

Kontaktní ploška pro desku plošných spojů se používá tam, kde je potřeba přímý elektrický kontakt bez tradičního pájeného vodiče. Tyto plošky se běžně používají v okrajových konektorech, svorkách baterií, rozhraních pogo pinů, pružinových kontaktech, programovacích bodech a testovacích rozhraních. V těchto případech je stejně důležité jako velikost plošky povrchová úprava, odolnost proti opotřebení, přístupnost a kontaktní síla.

Lepicí podložky

Kontaktní plošky jsou běžnější v polovodičových pouzdrech a specializované hybridní elektronice. Jejich účelem je propojit elektrický obvod na čipu s piny nebo vývody pouzdra pomocí drátového spojování nebo podobných metod propojení.

Proč má návrh desek plošných spojů přímý vliv na výtěžnost a spolehlivost

Mnoho problémů s návrhem kontaktních plošek se neobjeví, dokud se deska nedostane do výroby nebo montáže. Kontaktní ploška, ​​která se v softwaru jeví jako přijatelná, může i tak způsobit skutečné výrobní problémy po vytištění pájecí pasty, umístění součástek a pájení desky reflow nebo vlnovým pájením.

Pokud je kontaktní ploška příliš malá, nemusí vytvořit pevný pájený spoj. Pokud je příliš velká, součástka se může během přetavování posunout nebo vznášet. Pokud je rozteč kontaktních plošek příliš malá, je pravděpodobnější přemostění pájky. Pokud je prstenec kolem vyvrtaného otvoru příliš úzký, může výrobní tolerance způsobit vylomení nebo snížit spolehlivost. Pokud jsou kontaktní plošky opatřeny nesprávnou povrchovou úpravou, oxidace nebo opotřebení mohou zkrátit životnost výrobku.

To znamená, že design podložky přímo ovlivňuje:

• kvalita pájeného spoje
• výtěžek montáže
• stabilita přetavení
• přístup k inspekci
• spolehlivost testu
• mechanická odolnost
• výkon v terénu

Proto by měl být návrh kontaktních plošek posuzován se stejnou vážností jako šířka stop, vrstvení vrstev a umístění součástek.

Chyby v návrhu SMT padů, které běžně způsobují vady při montáži

Když uživatelé hledají SMT podložku, SMD podložky nebo návrh SMD podložky, často se snaží vyřešit skutečný problém s montáží. Mezi běžné vady související s podložkami patří tombstoning, můstky, slabé pájené spoje, špatné smáčení, zkosení součástek, přerušení a nekonzistentní výtěžnost mezi deskami.

Tyto problémy obvykle pramení z několika opakovaných konstrukčních chyb:

• Velikost podložky neodpovídá doporučení na obalu součástky
• Dva kontaktní plošky na malé pasivní součástce nejsou tepelně vyvážené
• Otvor pro pájecí masku nebyl recenzován spolu s velikostí měděné plošky.
• nános pasty je příliš velký nebo příliš malý vzhledem k skutečné geometrii destičky
• Podložka se přímo připojuje k velké měděné ploše a vytváří tepelnou nerovnováhu

Tyto problémy jsou obzvláště viditelné u konstrukcí s jemnou roztečí nebo vysokou hustotou, kde je procesní rezerva menší a chování pájky se stává citlivějším. Důležité jsou i související vrstvy. Například vrstva pájecí masky přímo ovlivňuje expozici padů, zatímco značky rozvržení, jako například sítotisk na desce plošných spojů může ovlivnit srozumitelnost inspekce a interpretaci sestavy.

BGA podložky NSMD vs. BGA podložky SMD

U pouzder BGA je definice kontaktních plošek důležitější, protože rozteč je malá a tolerance pájení je menší. Dvě běžné možnosti jsou kontakty definované nepájivou maskou a kontakty definované pájecí maskou.

BGA podložky NSMD

U kontaktní plošky definované nepájivou maskou je otvor v pájecí masce větší než měděná ploška, ​​takže měď určuje velikost plošky. Tento přístup často poskytuje lepší kontrolu nad geometrií mědi a umožňuje smáčení pájky po celém obvodu plošky. Kontaktní plošky NSMD se široce používají v BGA návrzích s jemnou roztečí a vysokou hustotou pájení.

SMD BGA podložky

U pájecí plošky definované pájecí maskou je otvor pájecí masky menší a částečně zakrývá měděný okraj, takže efektivní plocha plošky je definována pájecí maskou. To může poskytnout silnější oporu okraje plošky v některých mechanicky náročných podmínkách a může pomoci snížit zvedání plošky v určitých aplikacích.

Ani jedna z možností není univerzálně správná. Správná volba závisí na rozteči BGA, výrobních možnostech, očekávané spolehlivosti a zkušenostech s procesem. Pokud váš návrh obsahuje komponenty BGA, mělo by být toto rozhodnutí pečlivě zváženo spolu se zbytkem pouzdra a uspořádáním, zejména u desek používajících BGA v desce plošných spojů rozvržení.

Via in Pad a rozvržení PCB s vysokou hustotou

Technologie Via-in-pad se běžně používá v deskách HDI, kde je omezený prostor pro trasování, zejména u součástek BGA s jemnou roztečí. Místo umístění Via vedle plošky je umístěno přímo uvnitř oblasti plošky, aby se snížilo zahlcení trasy a podpořilo se hustší propojení.

To sice šetří místo, ale také to zvyšuje složitost výroby. Pokud není průchodka správně vyplněna, zakryta nebo zpracována, může se do otvoru během montáže dostat pájka a oslabit spoj. Z tohoto důvodu by se propojky s průchodkami měly používat pouze tehdy, když je technologie desky a výrobní proces spolehlivě podporují. Při kontrole rozvržení by se měly zvážit i obecné aspekty. PCB přes strategie, spíše než aby byla považována za izolovaný detail stopy.

Co znamená Padstack v návrhu plošných spojů

Když uživatelé hledají slovo „padstack“ v názvu desky plošných spojů (PCB), obvykle se snaží pochopit, jak je pad definován strukturou desky, a ne pouze na jedné viditelné vrstvě. Padstack je kompletní definice vrtaného nebo vodivého prvku napříč jednou nebo více vrstvami desek plošných spojů.

Padstack může obsahovat:

• velikost vrtáku
• konečná velikost otvoru
• průměr podložky v každé vrstvě
• definice prstence
• pravidla proti padnutí nebo vůli
• chování pájecí masky
• typ pokovování v závislosti na pracovním postupu návrhu

To je důležité, protože nastavení plošek ovlivňuje výtěžnost výroby, izolační rezervy, spolehlivost prstence a to, zda je návrh realistický pro zvolený proces výroby desky. Páskový systém, který funguje v CADu, ale ignoruje výrobní tolerance, může později způsobit chyby při vrtání, pokovování nebo registraci.

Proč ruční návrh podložek často vytváří problémy

Ruční návrh elektrod se může zdát flexibilní, ale často způsobuje chyby, kterým se lze vyhnout, pokud není založen na datech z pouzdra a výrobních možnostech. Mezi nejčastější problémy patří:

• průchozí otvor způsobeno nedostatečným prstencovým kroužkem
• slabé SMT klouby způsobeno příliš malými vložkami
• plovoucí části způsobeno nadměrně velkými ploškami a nestabilním objemem pájky
• náhrobní kameny způsobeno nerovnoměrným tepelným chováním mezi kontaktními ploškami
• šortky způsobeno sníženou vzdáleností od sousední mědi

Proto by tvary kontaktních plošek neměly být překreslovány jen tak ledabyle, aby se „rozvržení přizpůsobilo“. Úpravy kontaktních plošek by měly být řízeny doporučeními pro komponenty, metodou montáže a výrobními možnostmi, nikoli vizuální výhodou.

Jak vytvářet spolehlivé návrhy desek plošných spojů

Spolehlivý návrh kontaktních plošek znamená více než jen sladění vývodů nebo pouzdra součástky. Kontaktní ploška musí také splňovat výrobní tolerance, vlastnosti pájení, kontroly a dlouhodobé používání.

Dobrý návrh podložky by měl zohlednit:

• dostatečná izolace mezi vodiči
• robustní spojení mezi vodiči, prostupy a pokovenými otvory
• dostatečný prstenec po vrtání a tolerance registrace
• vzory pozemků odpovídající balíčku komponent
• správná interakce mezi měděnou podložkou, vrstvou pasty a otvorem masky
• mechanické namáhání konektorů, těžkých součástí nebo oblastí s opakovaným kontaktem
• proudové a tepelné zatížení na větších kontaktních ploškách
• přístupnost pro inspekce a testy

V reálném výrobním prostředí není nejlepší kontaktní ploška jen elektricky správná. Je také snadno vyrobitelná, snadno se montuje a stabilní při dlouhodobém používání. To je jeden z důvodů, proč mnoho týmů před zahájením výroby kontroluje geometrii kontaktních plošek jako součást širšího plánování vyrobitelnosti. montáž DPS na klíč nebo opakovanou výrobu.

Co výrobci kontrolují před zahájením výroby

Než se deska začne vyrábět, zkušený výrobce obvykle prověří rizika související s podložkami, jako například:

• dostatečnost prstencového kroužku
• Rozteče mezi ploškami v hustě propojených oblastech SMT
• šířka pramene pájecí masky
• chování ukládání pasty v jemně roztečných stopách
• požadavky na ošetření via-in-pad
• vhodnost povrchové úpravy pro kontaktní plošky
• přístupnost podložky pro kontrolu a testování

Oprava těchto problémů ve fázi návrhu je mnohem levnější než jejich odhalení až po výrobě nebo montáži. To platí zejména pro desky připravované pro rychlou nebo vysoce smíšenou výrobu, kde kvalita návrhu přímo ovlivňuje rychlost cenové nabídky, výtěžnost výroby a spolehlivost dodání.

Závěr

Plošky na deskách plošných spojů (PCB) jsou drobné prvky, ale mají zásadní vliv na kvalitu pájení, vyrobitelnost, elektrický výkon a dlouhodobou spolehlivost. Ať už se v návrhu používají SMT plošky, plošky s průchozími otvory, kontaktní plošky, bond plošky, BGA plošky nebo složité vrstvy plošek, cíl je stejný: vytvořit strukturu plošek, která je elektricky správná, vhodná pro výrobu a spolehlivá v reálném provozu.

Nejlepší návrh kontaktních plošek na desce plošných spojů není jen otázkou připojení součástky k mědi. Jde o to, aby deska přežila výrobu, montáž, kontrolu, testování a provoz bez zbytečných vad. V mnoha projektech je návrh kontaktních plošek jedním z detailů, které nejvíce ovlivňují, zda se deska sestaví čistě a bude spolehlivě fungovat.

Pokud vaše deska obsahuje husté SMT oblasti, jemně propojená BGA, vlastní kontaktní rozhraní nebo sestavy kritické pro spolehlivost, měl by být návrh kontaktních plošek zkontrolován včas, spíše než aby byl ponechán na výchozím nastavení knihovny nebo ručním dohadech.