Ghid de proiectare a plăcuțelor PCB pentru o fiabilitate sporită a lipirii și a fabricării PCB-urilor

O placă de circuit imprimat (PCB) poate părea o mică componentă din cupru, dar are un efect major asupra faptului dacă o placă poate fi asamblată curat, testată eficient și utilizată fiabil pe teren. În multe proiecte, defectele de lipire, îmbinările slabe, ridicarea plăcuțelor, defectarea, ruperea sau contactul electric instabil pot fi adesea atribuite deciziilor de proiectare a plăcuțelor luate mult mai devreme în etapa de proiectare.

De aceea, plăcuțele PCB contează mult dincolo de amprenta amprentei. Un pad nu este doar locul unde o componentă atinge placa. Acesta afectează volumul de lipire, echilibrul termic, fabricabilitatea, accesul pentru inspecție, conexiunea electrică și fiabilitatea pe termen lung. Dacă geometria pad-ului este greșită, chiar și o schemă bună și o dispunere corectă pot crea probleme în timpul asamblării.

Acest ghid explică ce este un pad PCB, cum diferă pad-urile cu montare la suprafață de pad-urile cu orificiu traversant, când se utilizează un pad de contact PCB, ce înseamnă padstack în proiectarea PCB, cum se compară pad-urile BGA NSMD și SMD, de ce proiectarea manuală a pad-urilor provoacă adesea defecte și cum să construiești structuri de pad-uri mai ușor de fabricat și asamblat. Dacă lucrați la proiectarea PCB , pregătiți fișiere pentru fabricație sau încercați să îmbunătățiți randamentul asamblării, înțelegerea proiectării pad-urilor vă va ajuta să evitați probleme costisitoare înainte de începerea producției.

Ce este o placă PCB

Un pad PCB este o zonă metalică expusă pe o placă de circuit imprimat unde un conductor de componentă, un terminal, un punct de contact sau un punct de testare este lipit sau conectat electric. În majoritatea cazurilor, pad-ul este fabricat din cupru și finisat cu un tratament de suprafață care susține lipibilitatea, conductivitatea și durabilitatea.

Placurile PCB sunt utilizate atât în ​​designurile cu montare la suprafață, cât și în cele cu orificii traversante. Acestea se pot conecta la pini, fire de curent, plane, conectori, interfețe de testare și terminații de pachet, în funcție de scopul circuitului. Deși placa pare simplă, aceasta afectează direct atât performanța electrică, cât și calitatea fabricației.

Pentru ingineri și cumpărători, aceasta este concluzia practică: o placă de circuit imprimat (PCB) nu este doar un element de desen în CAD. Este o caracteristică de fabricație. Dacă este subdimensionată, supradimensionată, spațiată prost sau nepotrivită cu ambalajul, placa poate arăta corect pe ecran, dar poate ceda în timpul lipirii sau inspecției.

Tipuri de plăcuțe PCB și unde sunt utilizate

Nu toate plăcuțele PCB servesc aceluiași scop. Se utilizează structuri diferite de plăcuțe în funcție de stilul componentei, procesul de asamblare, stresul mecanic și metoda de contact.

Plăcuțe de montare pe suprafață

Placoanele de montare la suprafață, numite și plăcuțe SMT sau plăcuțe SMD, sunt concepute pentru componente montate direct pe suprafața plăcii. Aceste plăcuțe sunt comune în electronica modernă, deoarece permit configurații compacte, plasare automată și asamblare de înaltă densitate. Dimensiunea, forma, spațierea și comportamentul pastei de lipit influențează calitatea reflow-ului. Dacă placa dvs. utilizează componente SMD și SMT , geometria plăcuțelor devine deosebit de importantă, deoarece chiar și erori mici pot cauza punți, înclinări sau îmbinări slabe.

Plăcuțe cu orificii traversante

Placuțele de protecție cu orificii traversante sunt utilizate pentru componentele ale căror fire trec prin găuri perforate în PCB. Aceste placuțe sunt încă utilizate pe scară largă pentru conectori, transformatoare, dispozitive de alimentare, condensatoare mari și componente care necesită un suport mecanic mai puternic.

Există două forme principale:

• Plăcuțe placate cu orificii traversante utilizați placare cu cupru pe peretele găurii pentru a crea interconectare electrică între straturi.
• Plăcuțe cu orificii străpunse neplacate sunt utilizate acolo unde nu este necesară conducția electrică prin orificiu, cum ar fi montarea mecanică sau caracteristicile de izolare.

Tampoane de contact

O placă de contact pentru PCB este utilizată acolo unde este necesar contact electric direct, fără un fir lipit tradițional. Aceste plăcuțe sunt comune în conectorii de margine, terminalele bateriei, interfețele cu pini pogo, contactele cu arc, punctele de programare și interfețele de testare. În aceste cazuri, finisajul plăcuței, rezistența la uzură, accesibilitatea și forța de contact contează la fel de mult ca dimensiunea plăcuței.

Tampoane de legătură

Placoanele de legătură sunt mai frecvente în ambalajele semiconductorilor și în electronica hibridă specializată. Scopul lor este de a conecta circuitul electric de pe o matriță la pinii sau conductoarele ambalajului prin lipire prin cablu sau metode similare de interconectare.

De ce designul plăcuțelor PCB are un impact direct asupra randamentului și fiabilității

Multe probleme legate de designul pad-urilor nu apar decât după ce placa ajunge în faza de fabricație sau asamblare. Un pad care pare acceptabil în software poate crea în continuare probleme reale de fabricație odată ce pasta de lipit este imprimată, componentele sunt plasate și placa trece prin reflow sau lipire în undă.

Dacă plăcuța de contact este prea mică, este posibil să nu formeze o îmbinare de lipire rezistentă. Dacă este prea mare, componenta se poate deplasa sau pluti în timpul reflow-ului. Dacă spațierea dintre plăcuțe este prea mică, devine mai probabilă formarea unei punți de lipire. Dacă inelul inelar din jurul unei găuri perforate este prea îngust, toleranța de fabricație poate provoca ruperea sau poate reduce fiabilitatea. Dacă plăcuțele de contact utilizează un finisaj greșit, oxidarea sau uzura pot scurta durata de viață a produsului.

Aceasta înseamnă că designul plăcuțelor afectează în mod direct:

• calitatea îmbinării lipite
• randamentul asamblării
• stabilitate la reflow
• acces pentru inspecție
• fiabilitatea testului
• durabilitate mecanică
• performanță pe teren

De aceea, proiectarea plăcuțelor ar trebui revizuită cu aceeași seriozitate ca lățimea urmei, suprapunerea straturilor și plasarea componentelor.

Greșeli de proiectare a plăcuțelor SMT care cauzează frecvent defecte de asamblare

Când utilizatorii caută plăcuțe SMT, plăcuțe SMD sau design de plăcuțe SMD, aceștia încearcă adesea să rezolve o problemă reală de asamblare. Defectele comune legate de plăcuțe includ deformarea excesivă, punțirea, îmbinări slabe ale lipiturilor, umezirea slabă, înclinarea componentelor, deschideri și randament inconsistent între plăci.

Aceste probleme provin de obicei din câteva greșeli repetate de proiectare:

• dimensiunea plăcuței nu corespunde cu recomandarea pachetului de componente
• Cele două plăcuțe de pe o componentă pasivă mică nu sunt echilibrate termic
• Deschiderea măștii de lipire nu a fost revizuită împreună cu dimensiunea plăcuței de cupru
• depozitul de pastă este prea mare sau prea mic pentru geometria reală a plăcuței
• Placa se conectează direct la o zonă mare de cupru și creează un dezechilibru termic

Aceste probleme sunt vizibile în special în proiectele cu pas fin sau densitate mare, unde marja de procesare este mai mică, iar comportamentul lipirii devine mai sensibil. Straturile conexe contează și ele. De exemplu, stratul de mască de lipire afectează direct expunerea pad-ului, în timp ce marcajele de aspect, cum ar fi serigrafia de pe PCB, pot influența claritatea inspecției și interpretarea ansamblului.

Placuțe BGA NSMD vs. Placuțe BGA SMD

Pentru pachetele BGA, definirea pad-urilor devine mai critică deoarece pasul este mic, iar toleranța de lipire este mai strictă. Cele două opțiuni comune sunt pad-urile definite fără mască de lipire și pad-urile definite cu mască de lipire.

Placuțe BGA NSMD

Într-un pad definit cu mască de lipire fără lipire, deschiderea măștii de lipire este mai mare decât pad-ul de cupru, astfel încât cuprul determină dimensiunea pad-ului. Această abordare oferă adesea un control mai bun al geometriei cuprului și permite lipirii să se umezească pe întregul perimetru al pad-ului. Pad-urile NSMD sunt utilizate pe scară largă în designurile BGA cu pas fin și densitate mare.

Placuțe BGA SMD

Într-un pad definit cu mască de lipire, deschiderea măștii de lipire este mai mică și acoperă parțial marginea de cupru, astfel încât suprafața efectivă a pad-ului este definită de masca de lipire. Acest lucru poate oferi un suport mai puternic al marginii pad-ului în anumite condiții solicitante din punct de vedere mecanic și poate ajuta la reducerea ridicării pad-ului în anumite aplicații.

Niciuna dintre opțiuni nu este universal corectă. Alegerea corectă depinde de pasul BGA, capacitatea de fabricație, așteptările de fiabilitate și experiența în proces. Dacă designul dvs. include componente BGA, această decizie ar trebui analizată cu atenție împreună cu restul pachetului și stackup-ului, în special în cazul plăcilor care utilizează BGA în layout-uri PCB.

Placă de circuite imprimate prin cablu și configurație PCB de înaltă densitate

Tehnologia Via-in-pad este utilizată în mod obișnuit în plăcile HDI unde spațiul de rutare este limitat, în special în cazul dispozitivelor BGA cu pas fin. În loc să se plaseze via lângă pad, aceasta este plasată direct în interiorul zonei pad-ului pentru a reduce congestia de rutare și a susține o interconectare mai densă.

Acest lucru ajută la economisirea spațiului, dar crește și complexitatea fabricației. Dacă via nu este umplută, acoperită sau procesată corect, aliajul de lipire se poate infiltra în gaură în timpul asamblării și poate slăbi îmbinarea. Din acest motiv, via-in-pad-ul ar trebui utilizat numai atunci când tehnologia plăcii și procesul de fabricație îl permit în mod fiabil. În revizuirea layout-ului, ar trebui luat în considerare împreună cu strategia generală de via PCB, mai degrabă decât să fie tratat ca un detaliu izolat al amprentei.

Ce înseamnă Padstack în proiectarea PCB-urilor

Când utilizatorii caută „padstack” într-un PCB, aceștia încearcă de obicei să înțeleagă cum este definit un pad prin structura plăcii, mai degrabă decât doar pe un strat vizibil. Un padstack este definiția completă a unei caracteristici perforate sau conductive pe unul sau mai multe straturi de PCB.

Un padstack poate include:

• dimensiunea burghiului
• dimensiunea găurii finite
• diametrul plăcuței pe fiecare strat
• definiția inelului inelar
• reguli anti-tamponare sau de degajare
• comportamentul măștii de lipire
• tipul de placare în funcție de fluxul de lucru de proiectare

Acest lucru este important deoarece setările padstack-ului influențează randamentul de fabricație, marginile izolației, fiabilitatea inelului inelar și dacă designul este realist pentru procesul selectat al plăcii. Un padstack care funcționează în CAD, dar ignoră toleranța de fabricație, poate crea defecțiuni ulterioare la găurire, placare sau înregistrare.

De ce designul manual al plăcuțelor creează adesea probleme

Proiectarea manuală a plăcuțelor poate părea flexibilă, dar cauzează adesea erori evitabile atunci când nu se bazează pe datele ambalajului și pe capacitatea de fabricație. Printre cele mai frecvente probleme se numără:

• erupție prin gaură cauzat de un inel inelar insuficient
• articulații SMT slabe cauzate de tampoane prea mici
• piese plutitoare cauzate de plăcuțe supradimensionate și volum instabil de lipire
• piatra funerară cauzată de comportamentul termic inegal dintre plăcuțe
• pantaloni scurti cauzată de distanța redusă față de cuprul vecin

De aceea, formele plăcuțelor nu ar trebui redesenate întâmplător doar pentru a „face ca aspectul să se potrivească”. Modificările plăcuțelor ar trebui determinate de recomandările componentelor, metoda de asamblare și capacitatea de fabricație, nu de confortul vizual.

Cum să construiești modele fiabile de plăcuțe PCB

Proiectarea fiabilă a plăcuțelor înseamnă mai mult decât simpla potrivire cu conductorul sau ambalajul componentei. Placuța trebuie, de asemenea, să respecte toleranța de fabricație, comportamentul la lipire, inspecția și utilizarea pe termen lung.

Un design bun al tampoanelor ar trebui să ia în considerare:

• izolație adecvată între conductori
• conexiune robustă între piste, fire de contact și găuri placate
• inel inelar suficient după găurire și toleranță de înregistrare
• modele de teren potrivite pachetului de componente
• interacțiune corectă între tamponul de cupru, stratul de pastă și deschiderea măștii
• stres mecanic asupra conectorilor, pieselor grele sau zonelor de contact repetate
• sarcină termică și de curent pe plăcuțe mai mari
• inspecție și testare accesibilitate

În producția reală, cea mai bună placă de circuit imprimat nu este doar corectă din punct de vedere electric. Este, de asemenea, ușor de fabricat, ușor de asamblat și stabilă în utilizare pe termen lung. Acesta este unul dintre motivele pentru care multe echipe revizuiesc geometria plăcuțelor de circuit imprimat ca parte a planificării mai ample a fabricabilității înainte de a trece la asamblarea PCB la cheie sau la producția repetată.

Ce verifică producătorii înainte de începerea producției

Înainte ca o placă să intre în producție, un producător experimentat va analiza de obicei riscurile legate de plăcuțe, cum ar fi:

• adecvarea inelului inelar
• spațiere între pad-uri în zone SMT dense
• lățimea fâșiei de mască de lipire
• comportamentul depunerii pastei în amprente cu pas fin
• cerințe de tratament via-in-pad
• adecvarea finisajului de suprafață pentru plăcuțele de contact
• accesibilitatea plăcuței pentru inspecție și testare

Rezolvarea acestor probleme în etapa de proiectare este mult mai ieftină decât descoperirea lor după fabricare sau asamblare. Acest lucru este valabil mai ales pentru plăcile pregătite pentru construcții cu execuție rapidă sau cu un mix mare de produse, unde calitatea lansării proiectului afectează direct viteza de cotare, randamentul construcției și încrederea în livrare.

Concluzie

Placoanele PCB sunt caracteristici minore, dar au o influență majoră asupra calității lipirii, fabricabilității, performanței electrice și fiabilității pe termen lung. Indiferent dacă designul utilizează plachete SMT, plachete through-hole, plachete de contact, plachete de bond, plachete BGA sau padstacks complexe, scopul este același: crearea unei structuri de plachete care să fie corectă din punct de vedere electric, prietenoasă cu producția și fiabilă în utilizarea reală.

Cel mai bun design al plăcuțelor de circuit imprimat (PCB) nu constă doar în conectarea unei componente la cupru. Este vorba despre a ajuta placa să supraviețuiască fabricării, asamblării, inspecției, testării și funcționării pe teren fără defecte inutile. În multe proiecte, designul plăcuțelor este unul dintre detaliile care influențează cel mai puternic dacă o placă se construiește curat și funcționează fiabil.

Dacă placa dumneavoastră include zone SMT dense, BGA cu pas fin, interfețe de contact personalizate sau ansambluri critice pentru fiabilitate, designul pad-urilor ar trebui revizuit din timp, mai degrabă decât să fie lăsat la setările implicite ale bibliotecii sau la presupuneri manuale.