Piirilevyalustojen suunnitteluopas parempaan juotosluotettavuuteen ja piirilevyjen valmistukseen

Piirilevyn liitoskohta saattaa näyttää pieneltä kuparielementiltä, ​​mutta sillä on suuri vaikutus siihen, voidaanko piirilevy koota siististi, testata tehokkaasti ja käyttää luotettavasti kentällä. Monissa projekteissa juotosvirheet, heikot liitokset, liitoskohtien irtoaminen, irtoaminen, katkeaminen tai epävakaa sähkökontakti voidaan usein jäljittää paljon aikaisemmassa asetteluvaiheessa tehtyihin suunnittelupäätöksiin.

Siksi piirilevyjen liitoskohtien merkitys on paljon suurempi kuin pelkkä jalanjälkikirjasto. Liitoskohta ei ole vain se kohta, jossa komponentti koskettaa piirilevyä. Se vaikuttaa juotoksen määrään, lämpötasapainoon, valmistettavuuteen, tarkastusmahdollisuuksiin, sähköliitäntään ja pitkäaikaiseen luotettavuuteen. Jos liitoskohtien geometria on väärä, jopa hyvä kytkentäkaavio ja oikea asettelu voivat aiheuttaa ongelmia kokoonpanon aikana.

Tässä oppaassa selitetään, mikä on piirilevyn kosketusalusta, miten pinta-asennusalustat eroavat läpireikäasennusalustasta, milloin käytetään piirilevyn kosketusalustaa, mitä kosketusalustapino tarkoittaa piirilevyn suunnittelussa, miten NSMD- ja SMD BGA -alustat vertautuvat toisiinsa, miksi manuaalinen kosketusalustan suunnittelu aiheuttaa usein vikoja ja miten rakennetaan helpommin valmistettavia ja koottavia kosketusalustoja. Jos työskentelet... PCB-suunnitteluOlitpa sitten valmistelemassa tiedostoja valmistusta varten tai yrittämässä parantaa kokoonpanon tuottoa, jarrulevyjen suunnittelun ymmärtäminen auttaa välttämään kalliita ongelmia ennen tuotannon aloittamista.

Mikä on piirilevylevy

Piirilevyn kosketusalue on piirilevyllä oleva paljas metallinen alue, johon komponentin johdin, liitin, kosketuspiste tai testipiste juotetaan tai kytketään sähköisesti. Useimmissa tapauksissa kosketusalue on valmistettu kuparista ja viimeistelty pintakäsittelyllä, joka parantaa juotettavuutta, johtavuutta ja kestävyyttä.

Piirilevyjen liitoskohtia käytetään sekä pinta-asennuksessa että läpivientirei'issä. Ne voidaan liittää johtimiin, läpivienteihin, tasoihin, liittimiin, testiliitäntöihin ja kotelopäätteisiin piirin käyttötarkoituksesta riippuen. Vaikka liitoskohta näyttää yksinkertaiselta, se vaikuttaa suoraan sekä sähköiseen suorituskykyyn että valmistuksen laatuun.

Insinööreille ja ostajille tämä on käytännöllinen oppi: piirilevyn alusta ei ole vain piirustuselementti CAD-suunnittelussa. Se on myös valmistuksen ominaisuus. Jos se on liian pieni, liian suuri, huonosti sijoitettu tai ei sovi pakkaukseen, piirilevy saattaa näyttää oikealta näytöllä, mutta rikkoutua juottamisen tai tarkastuksen aikana.

Piirilevytyynyjen tyypit ja missä niitä käytetään

Kaikki piirilevyjen liitoskohdat eivät palvele samaa tarkoitusta. Erilaisia ​​liitoskohtia käytetään komponentin tyypistä, kokoonpanoprosessista, mekaanisesta rasituksesta ja kosketusmenetelmästä riippuen.

Pinta-asennustyynyt

Pinta-asennuslevyt, joita kutsutaan myös SMT- tai SMD-levyiksi, on suunniteltu komponenteille, jotka asennetaan suoraan piirilevyn pinnalle. Nämä levyt ovat yleisiä nykyaikaisessa elektroniikassa, koska ne tukevat kompakteja asetteluja, automatisoitua sijoittelua ja tiheää kokoonpanoa. Niiden koko, muoto, välit ja juotospastan käyttäytyminen vaikuttavat kaikki uudelleensulatuksen laatuun. Jos piirilevyssäsi käytetään SMD ja SMT komponenttien osalta jarrupalojen geometriasta tulee erityisen tärkeä, koska pienetkin virheet voivat aiheuttaa sillanmuodostusta, vinoutumista tai heikkoja liitoksia.

Läpivientityynyt

Läpivientialustoja käytetään komponenteissa, joiden johtimet kulkevat piirilevyn porattujen reikien läpi. Näitä alustoja käytetään edelleen laajalti liittimissä, muuntajissa, teholaitteissa, suurissa kondensaattoreissa ja komponenteissa, jotka tarvitsevat vahvempaa mekaanista tukea.

On olemassa kaksi päämuotoa:

• Pinnoitetut läpireikätyynyt Käytä reiän seinämässä kuparipinnoitusta luodaksesi sähköisen yhteyden kerrosten välille.
• Päällystämättömät läpireikätyynyt käytetään silloin, kun sähkönjohtavuutta reiän läpi ei vaadita, kuten mekaanisessa asennuksessa tai eristysominaisuuksissa.

Kosketuslevyt

Piirilevyn kosketuslevyä käytetään silloin, kun tarvitaan suoraa sähköistä kosketusta ilman perinteistä juotettua johtoa. Näitä kosketuslevyjä käytetään yleisesti reunaliittimissä, akkuliittimissä, pogo-pinniliitännöissä, jousiliittimissä, ohjelmointipisteissä ja testiliitännöissä. Näissä tapauksissa kosketuslevyn viimeistely, kulutuskestävyys, saavutettavuus ja kosketusvoima ovat yhtä tärkeitä kuin kosketuslevyn koko.

Liimatyynyt

Liitoskohdat ovat yleisempiä puolijohdekoteloissa ja erikoistuneessa hybridielektroniikassa. Niiden tarkoituksena on yhdistää sirun sähköpiiri kotelon nastoihin tai johtoihin lankaliitoksella tai vastaavilla yhteenliitäntämenetelmillä.

Miksi piirilevyjen suunnittelulla on suora vaikutus saantoon ja luotettavuuteen

Monet juotosalustan suunnitteluongelmat ilmenevät vasta, kun piirilevy on valmistuksessa tai kokoonpanossa. Ohjelmistossa hyväksyttävältä vaikuttava juotosalusta voi silti aiheuttaa todellisia valmistusongelmia, kun juotospasta on painettu, komponentit on asennettu ja piirilevy on juotettu uudelleen tai aaltojuotettu.

Jos kosketusalusta on liian pieni, se ei välttämättä muodosta vahvaa juotosliitosta. Jos se on liian suuri, komponentti voi siirtyä tai kellua uudelleensulatuksen aikana. Jos kosketusalustojen väli on liian tiukka, juotoksen siltautuminen on todennäköisempää. Jos poratun reiän ympärillä oleva rengasmainen rengas on liian kapea, valmistustoleranssi voi aiheuttaa rikkoutumisen tai heikentää luotettavuutta. Jos kosketusalustoissa on väärä viimeistely, hapettuminen tai kuluminen voivat lyhentää tuotteen käyttöikää.

Tämä tarkoittaa, että tyynyjen suunnittelu vaikuttaa suoraan:

• juotosliitoksen laatu
• kokoonpanon saanto
• uudelleenvirtausvakaus
• tarkastusoikeus
• testin luotettavuus
• mekaaninen kestävyys
• kentän suorituskykyä

Siksi liitäntätyynyjen suunnittelua tulisi tarkastella yhtä vakavasti kuin juovan leveyttä, kerrosten pinoamista ja komponenttien sijoittelua.

SMT-tyynyjen suunnitteluvirheet, jotka yleisesti aiheuttavat kokoonpanovirheitä

Kun käyttäjät etsivät SMT-liitoskohtia, SMD-liitoskohtia tai SMD-liitoskohtien suunnittelua, he usein yrittävät ratkaista todellisen kokoonpano-ongelman. Yleisiä liitoskohtiin liittyviä vikoja ovat mm. jäännösten muodostuminen (haudanmuotoutuminen), siltautuminen, heikot juotosliitokset, huono kostutus, komponenttien vinoutuminen, aukot ja epätasainen saanto eri piirilevyjen välillä.

Nämä ongelmat johtuvat yleensä muutamasta toistuvasta suunnitteluvirheestä:

• tyynyn koko ei vastaa komponenttipakkauksen suositusta
• pienen passiivikomponentin kaksi padia eivät ole lämpötasapainossa
• juotosmaskin aukkoa ei tarkistettu kuparipadin koon kanssa
• tahnakerros on liian suuri tai liian pieni todelliseen jarrupalojen geometriaan nähden
• tyyny kytkeytyy suoraan suureen kuparipinta-alaan ja aiheuttaa lämpöepätasapainoa

Nämä ongelmat ovat erityisen näkyviä hienojakoisissa tai tiheissä malleissa, joissa prosessimarginaali on pienempi ja juotoskäyttäytymisestä tulee herkempi. Myös toisiinsa liittyvillä kerroksilla on merkitystä. Esimerkiksi juotosmaskin kerros vaikuttaa suoraan tyynyn näkyvyyteen, kun taas asettelumerkinnät, kuten silkkipaino piirilevyllä voi vaikuttaa tarkastuksen selkeyteen ja kokoonpanon tulkintaan.

NSMD BGA-tyynyt vs. SMD BGA-tyynyt

BGA-koteloissa juotospisteiden määrittely on kriittisempää, koska jako on pieni ja juotostoleranssi tiukempi. Kaksi yleistä vaihtoehtoa ovat juotosmaskilla määritellyt ja juotosmaskilla määritellyt juotospisteet.

NSMD BGA-tyynyt

Ei-juotosmaskilla määritellyssä pisteessä juotosmaskin aukko on suurempi kuin kuparipiste, joten kupari määrää pisteen koon. Tämä lähestymistapa tarjoaa usein paremman kuparigeometrian hallinnan ja sallii juotteen kastua koko pisteen kehän ympäri. NSMD-pisteitä käytetään laajalti hienojakoisissa ja tiheissä BGA-malleissa.

SMD BGA-tyynyt

Juotosmaskilla määritellyssä pisteessä juotosmaskin aukko on pienempi ja peittää osittain kuparireunan, joten juotosmaski määrittää pisteen tehokkaan pinta-alan. Tämä voi tarjota vahvemman pisteen reunan tuen joissakin mekaanisesti vaativissa olosuhteissa ja auttaa vähentämään pisteen irtoamista tietyissä sovelluksissa.

Kumpikaan vaihtoehto ei ole universaalisti oikea. Oikea valinta riippuu BGA-jaosta, valmistuskyvystä, luotettavuusodotuksista ja prosessikokemuksesta. Jos suunnittelusi sisältää BGA-komponentteja, tätä päätöstä on tarkasteltava huolellisesti yhdessä muun pakkauksen ja pinon kanssa, erityisesti piirilevyissä, joissa käytetään BGA piirilevyssä kaavoista.

Via-in-pad ja tiheä piirilevyasettelu

Via-in-pad-tekniikkaa käytetään yleisesti HDI-levyissä, joissa reititystilaa on rajoitetusti, erityisesti tiheäjakoisten BGA-laitteiden alla. Sen sijaan, että läpivienti sijaitsisi padin vieressä, se sijoitetaan suoraan pad-alueen sisälle reititysruuhkan vähentämiseksi ja tiheämmän yhteenliitännän tukemiseksi.

Tämä säästää tilaa, mutta lisää myös valmistuksen monimutkaisuutta. Jos läpivientiä ei täytetä, peitetä tai käsitellä oikein, juotetta voi tunkeutua reikään kokoonpanon aikana ja heikentää liitosta. Tästä syystä läpivienti-pad-menetelmää tulisi käyttää vain silloin, kun piirilevyn teknologia ja valmistusprosessi tukevat sitä luotettavasti. Piirilevyn suunnittelussa sitä tulisi tarkastella myös yleisten ohjeiden ohella. PCB kautta strategiaa sen sijaan, että sitä käsiteltäisiin erillisenä jalanjäljen yksityiskohtana.

Mitä Padstack tarkoittaa piirilevysuunnittelussa

Kun käyttäjät etsivät piirilevystä tietoa liitäntälevypinosta, he yleensä yrittävät ymmärtää, miten liitäntälevy määritellään piirilevyn rakenteen kautta sen sijaan, että se määriteltäisiin vain yhdellä näkyvällä kerroksella. Liitinlevypino on täydellinen määritelmä poratusta tai johtavasta rakenteesta yhden tai useamman piirilevyn kerroksen poikki.

Padstack voi sisältää:

• poran koko
• valmiin reiän koko
• tyynyn halkaisija kullakin kerroksella
• rengasmaisen renkaan määritelmä
• anti-pad- tai clearance-säännöt
• juotosmaskin käyttäytyminen
• pinnoitustyyppi suunnittelutyönkulusta riippuen

Tällä on merkitystä, koska levypinon asetukset vaikuttavat valmistuksen saantoon, eristysmarginaaleihin, rengasmaisen renkaan luotettavuuteen ja siihen, onko suunnittelu realistinen valitulle piirilevyprosessille. CAD-ohjelmistolla toimiva, mutta valmistustoleranssit huomiotta jättävä levypinnoite voi aiheuttaa virheitä myöhemmin porauksessa, pinnoituksessa tai rekisteröinnissä.

Miksi manuaalisen tyynyn suunnittelu aiheuttaa usein ongelmia

Manuaalinen kytkentäkaaviosuunnittelu saattaa vaikuttaa joustavalta, mutta se aiheuttaa usein vältettävissä olevia virheitä, jos se ei perustu pakkaustietoihin ja valmistuskapasiteettiin. Joitakin yleisimpiä ongelmia ovat:

• läpireiän läpivienti riittämättömän rengasmaisen renkaan aiheuttama
• heikot SMT-nivelet liian pienten tyynyjen aiheuttama
• kelluvat osat ylisuurten juotosalustojen ja epävakaan juotosmäärän aiheuttama
• hautakiviä tyynyjen epätasaisen lämpökäyttäytymisen aiheuttama
• shortsit johtuen pienentyneestä etäisyydestä viereiseen kupariin

Tästä syystä tyynyjen muotoja ei pitäisi piirtää uudelleen ohimennen vain "sopivuuden takaamiseksi". Tyynyjen muutosten tulisi perustua komponenttisuosituksiin, kokoonpanomenetelmään ja valmistusominaisuuksiin, ei visuaaliseen mukavuuteen.

Kuinka rakentaa luotettavia piirilevyalustojen malleja

Luotettava juotosalustan suunnittelu tarkoittaa enemmän kuin vain komponentin johtimen tai kotelon yhteensopivuutta. Juotosalustan on myös tuettava valmistustoleranssia, juotosominaisuuksia, tarkastuskelpoisuutta ja pitkäaikaista käyttöä.

Hyvän tyynyn suunnittelun tulisi ottaa huomioon:

• riittävä eristys johtimien välillä
• vankka yhteys kiskojen, läpivientien ja pinnoitettujen reikien välillä
• riittävä rengasmainen reikä porauksen jälkeen ja rekisteröintitoleranssi
• komponenttipakettiin sovitetut maakuviot
• kuparityynyn, tahnakerroksen ja maskiaukon oikea vuorovaikutus
• mekaaninen rasitus liittimiin, raskaisiin osiin tai toistuviin kosketuspintoihin
• virta- ja lämpökuormitus suuremmilla tyynyillä
• tarkastus- ja testausmahdollisuus

Käytännön valmistuksessa paras jarrupala ei ole ainoastaan ​​sähköisesti oikein toimiva. Se on myös helppo valmistaa, helppo koota ja vakaa pitkäaikaisessa käytössä. Tämä on yksi syy siihen, miksi monet tiimit tarkastelevat jarrupalan geometriaa osana laajempaa valmistettavuuden suunnittelua ennen siirtymistä... avaimet käteen -periaatteella toimiva piirilevykokoonpano tai toista tuotantoa.

Mitä valmistajat tarkistavat ennen tuotannon aloittamista

Ennen kuin piirilevy otetaan tuotantoon, kokenut valmistaja yleensä tarkistaa piirilevyyn liittyvät riskit, kuten:

• rengasmaisen renkaan riittävyys
• tyynyjen välinen etäisyys tiheillä SMT-alueilla
• juotosmaskin viipaleen leveys
• tahnan laskeutumiskäyttäytyminen hienojakoisissa jalanjäljissä
• via-in-pad-hoidon vaatimukset
• kosketuspintojen pinnanlaadun soveltuvuus
• tarkastus- ja testausalustan helppokäyttöisyys

Näiden ongelmien korjaaminen suunnitteluvaiheessa on paljon halvempaa kuin niiden havaitseminen valmistuksen tai kokoonpanon jälkeen. Tämä pätee erityisesti piirilevyihin, joita valmistellaan nopeaan valmistukseen tai suuren sekoituksen valmistukseen, jossa suunnittelun laatu vaikuttaa suoraan tarjousnopeuteen, valmistustuloksiin ja toimitusvarmuuteen.

Yhteenveto

Piirilevyjen juotoskohdat ovat pieniä ominaisuuksia, mutta niillä on suuri vaikutus juotoksen laatuun, valmistettavuuteen, sähköiseen suorituskykyyn ja pitkäaikaiseen luotettavuuteen. Käytettiinpä suunnittelussa sitten SMT-juosteita, läpivientijuosteita, kontakti-, liitos-, BGA-juosteita tai monimutkaisia ​​juotospinoja, tavoite on sama: luoda juotoskohtarakenne, joka on sähköisesti oikea, tuotantoystävällinen ja luotettava todellisessa käytössä.

Paras piirilevyn liitäntäpisteiden suunnittelu ei ole vain komponentin liittämistä kupariin. Kyse on siitä, että piirilevy selviää valmistuksesta, kokoonpanosta, tarkastuksesta, testauksesta ja kenttäkäytöstä ilman tarpeettomia vikoja. Monissa projekteissa liitäntäpisteiden suunnittelu on yksi niistä yksityiskohdista, jotka vaikuttavat voimakkaimmin siihen, rakentuuko piirilevy siististi ja toimiiko se luotettavasti.

Jos piirilevyssäsi on tiheitä SMT-alueita, hienojakoisia BGA-piirejä, mukautettuja kosketinliitäntöjä tai luotettavuuden kannalta kriittisiä kokoonpanoja, liitäntäpisteiden suunnittelu tulisi tarkistaa ajoissa eikä jättää oletusarvoisten kirjastoasetusten tai manuaalisen arvailun varaan.