Реперные метки — это небольшие открытые медные контрольные точки на печатной плате, используемые системами машинного зрения для выравнивания плат при поверхностном монтаже (SMT). Без точных реперных меток монтажные машины не могут компенсировать растяжение платы, ошибки вращения и позиционный дрейф, возникающие в процессе производства. В этом руководстве объясняется значение реперных меток, приводятся рекомендуемые размеры и зазоры, а также практические правила компоновки, которые снижают количество ошибок при установке и необходимость доработки.

Что такое фидуциарный знак?

Реперный знак представляет собой круглую открытую медную площадку, окружённую свободной зоной паяльной маски. Высококонтрастный интерфейс между открытой медью и маской позволяет системам оптического распознавания точно определять координаты XY. Камеры машинного зрения используют реперные знаки для расчёта смещения, поворота и искажения масштаба платы перед установкой компонентов.

Основные функции координатных знаков

Реперные метки выполняют три важнейшие функции выравнивания: коррекция положения (компенсация различий между панелями), коррекция вращения (коррекция углового смещения при нагрузке на панели) и компенсация масштаба (учет изменений размеров, вызванных термическим или механическим напряжением во время ламинирования).

Рисунок 1. Виды фидуциальных знаков

Типы фидуциарных знаков и их применение

Глобальные фидуциалы

Глобальные реперные метки служат опорными точками для всей платы. Размещаемые в трёх неколлинеарных точках (обычно в форме треугольника), они позволяют монтажному станку одновременно рассчитывать положение, поворот и масштабирование. Каждая печатная плата, требующая автоматизированной сборки, должна иметь как минимум две глобальные реперные метки, хотя настоятельно рекомендуется использовать три.

Местные фидуциары

Локальные реперные знаки располагаются рядом с компонентами с малым шагом выводов, такими как BGA и QFP, с расстоянием между выводами менее 0.5 мм. Они обеспечивают локальную коррекцию, превосходящую возможности глобальных реперных знаков, учитывая микромасштабную деформацию или растяжение в областях с высокой плотностью. Локальные реперные знаки следует добавлять, когда шаг компонента становится менее 0.5 мм или диаметр шариков менее 0.3 мм.

Реперные данные панели

Реперные метки на панелях устанавливаются на уровне массива, а не на уровне отдельных плат. Расположенные на отрывных направляющих или углах панелей, они служат ориентиром для оборудования SMT-монтажа и оборудования для разделения панелей. Реперные метки на панелях обеспечивают единообразное совмещение на всех платах в массиве как при сборке, так и при разделении.

Основные параметры проектирования и рекомендуемые значения

Правильные размеры реперных знаков напрямую влияют на надёжность распознавания. В таблице ниже приведены общепринятые в отрасли характеристики:

Параметр	Рекомендуемое значение	Заметки
Реперный диаметр	1.0 мм – 3.0 мм (стандарт 1.0 мм)	Большинство производителей и поставщиков EMS оптимизируют для 1.0 мм
Распродажа масок	≥ 2× радиуса (предпочтительно 3× радиуса)	Больший зазор улучшает контрастность краев и скорость распознавания
Зазор кромки	≥ 3.35 мм	Предотвращает повреждения при фрезеровании, V-образном задире или транспортировке
Постоянство размера	Все реперные знаки идентичны на одной печатной плате	Системы машинного зрения используют однородную геометрию для сопоставления образов
Минимальное количество	2 глобальных (3 рекомендованных)	Три точки обеспечивают полную позиционную, вращательную и масштабную коррекцию

Таблица 1. Основные параметры проектирования и рекомендуемые значения

Почему эти ценности важны

Коэффициент зазора маски обеспечивает достаточный контраст между медью и окружающим ламинатом. Если зазор меньше 2-кратного радиуса реперных знаков, соседние дорожки или края маски могут помешать работе алгоритмов обнаружения краев. Зазор 3.35 мм позволяет разместить зоны механической обработки и предотвращает повреждение реперных знаков при разделении панелей.

Правила и передовой опыт размещения фидуциарных знаков

Глобальное доверительное размещение

Разместите глобальные реперные знаки в трёх углах печатной платы, образуя асимметричный треугольник. Избегайте размещения реперных знаков на отламывающихся язычках, рядом с перфорацией или в зонах механического крепления. Максимальное расстояние между реперными знаками улучшает угловое разрешение для компенсации вращения.

Местное фидуциарное размещение

Размещайте локальные реперные знаки на расстоянии не более 5 мм от контактных площадок компонентов с малым шагом выводов, оставляя зоны зазора без медных элементов, шелкографии или паяльной маски. Для BGA-компонентов разместите два локальных реперных знака в диагонально противоположных углах. Расстояние от любого соседнего медного элемента должно быть не менее полного зазора.

Размещение опорных точек панели

Реперные метки панели должны быть нанесены на всех четырёх углах каркаса массива или на противоположных направляющих. При использовании отрывных направляющих располагайте реперные метки на расстоянии не менее 5 мм от любого V-образного или выемчатого края. Убедитесь, что каждая подплата имеет доступ либо к своим собственным реперным меткам, либо к общим реперным меткам панели на протяжении всего процесса сборки.

Сферы, которых следует избегать

Не размещайте реперные знаки в местах, подверженных механическому воздействию при демонтаже. Не размещайте реперные знаки в местах, которые будут удалены при демонтаже.

Вопросы изготовления и сборки

Требования к отделке поверхности

Для оптимального распознавания меток камерой требуется высокоотражающая поверхность . HASL, ENIG и иммерсионное олово обеспечивают достаточный контраст. Покрытия OSP также подходят, но могут демонстрировать снижение точности распознавания при окислении. Необходимо обеспечить равномерную толщину покрытия по всей поверхности меток — отклонения более 5 мкм могут повлиять на четкость контуров.

Взаимодействие паяльной маски и трафарета

Реперные знаки должны быть полностью свободны от паяльной маски. Определите реперные знаки как отверстия в паяльной маске в вашей CAD-библиотеке, чтобы предотвратить случайное перекрытие. Апертуры трафарета должны полностью исключать расположение реперных знаков, так как отложения пасты на реперных знаках снижают точность распознавания.

Устранение неисправностей системы технического зрения

Ошибки распознавания часто возникают из-за загрязнений (остатки флюса, рабочие масла), окисления (особенно на покрытиях OSP), неровных краев масок (рваные или неровные отверстия) и неравномерного покрытия. Если установочные машины сообщают о повторяющихся ошибках совмещения, осмотрите реперные знаки под увеличением. При подозрении на загрязнение очистите платы изопропиловым спиртом (ИПС).

Рисунок 2. Опорные метки на печатной плате.

Соображения относительно реперных знаков на панели

Фидуциарное удержание подсовета

При разделении досок на панели убедитесь, что каждая подпанель сохраняет функциональные метки после разделения. Если при разметке панелей исходные метки доски удаляются вместе с отсоединяемой направляющей, добавьте резервные метки внутри контура доски, которые сохранятся после разделения.

Требования, предъявляемые к производителю

Разные поставщики услуг EMS указывают разные места расположения реперных знаков на панелях. Некоторые требуют размещения реперных знаков на всех четырёх углах рамы панели; другие допускают размещение на противоположных парах. Уточните требования у своего партнёра по сборке, прежде чем окончательно определиться с компоновкой панели. Реперные знаки, устанавливаемые на рейку, должны располагаться на расстоянии не менее 2 мм от её края во избежание повреждений от погрузочно-разгрузочного оборудования.

Распространенные ошибки реперных знаков

Ошибка 1: Недостаточно большие или замаскированные реперные знаки

Реперные знаки размером менее 0.8 мм или частично закрытые паяльной маской не проходят проверку распознавания. Для надёжного обнаружения краев системам машинного зрения требуется минимальное количество пикселей. Всегда проверяйте наличие отверстий в маске в Gerber-файлах перед выпуском на производство.

Ошибка 2: Нарушения близости к краю

Размещение реперных знаков на расстоянии менее 3 мм от краев платы может привести к их повреждению фрезерными фрезами или V-образными лезвиями. Эта ошибка часто возникает, когда размеры плат изменяются на поздних этапах проектирования без изменения положения реперных знаков.

Ошибка 3: Несоответствующие размеры

Смешивание диаметров реперных знаков (например, 1.0 мм глобальный и 1.5 мм локальный) затрудняет работу алгоритмов сопоставления с шаблонами. Поддерживайте единые размеры всех реперных знаков на одной плате или панели.

Ошибка 4: Нарушения зоны разминирования

Текст шелкографии, логотипы или трассировка в зоне зазора маски ухудшают контрастность краев. Правила проектирования должны фиксировать нарушения зазоров как ошибки DRC.

Ошибка 5: повреждение от расслоения панели

Реперные знаки, расположенные на соединениях с фиксаторами или рядом с ними, могут быть разрушены при разделении панелей. Убедитесь в сохранности реперных знаков после разделения, проверив пути разводки панелей.

Контрольный список DRC и дизайна для реперных знаков

Практический набор правил DRC помогает гарантировать, что ваши фидуциарные метки всегда пригодны для изготовления и машиночитаемы:

Диаметр реперной метки должен составлять 1.0–3.0 мм , при этом допуск по внутреннему диаметру должен быть ≤ 25 мкм.
Зазор между паяльной маской должен быть не менее чем в 2 раза больше радиуса реперной точки.
Минимальное расстояние от центра метки до края печатной платы (включая зону зазора) должно быть ≥ 3.35 мм.
Каждая печатная плата должна содержать как минимум две глобальные реперные точки , тогда как три обеспечивают более надежное выравнивание.
Необходимо использовать локальные реперные точки в пределах 5 мм от любого компонента с шагом < 0.5 мм.
Внутри зоны зазора не должно быть никаких элементов, связанных с медью, шелкографией или паяльной маской.

Применение этих критериев в настройках проверки правил проектирования (DRC) вашего EDA обеспечивает стабильную точность выравнивания печатной платы во время сборки SMT.

Сферы деятельности

Успешная реализация

Четырехслойная плата управления для промышленной автоматизации включала три глобальных реперных знака размером 1.0 мм, расположенных в L-образной форме, и два локальных реперных знака, расположенных рядом с BGA-компонентой с шагом 0.4 мм. Выход годных компонентов с первого прохода превысил 99.7% для 10 000 компонентов. В конструкции предусмотрен зазор под маску 3.0 мм и расстояние до края 4.0 мм, что обеспечивает запас сверх минимальных требований.

Анализ отказов

При запуске прототипа потребительского устройства Интернета вещей наблюдалось 15% отбраковок из-за ошибок распознавания реперных знаков. В ходе исследования были выявлены реперные знаки толщиной 0.8 мм с зазором всего 1.5× радиуса в сочетании с покрытием OSP, окислившимся во время хранения. Повторное центрирование с реперными знаками толщиной 1.0 мм, покрытием ENIG и зазором 2.5× позволило устранить все ошибки распознавания.

Заключение

Опорные метки имеют основополагающее значение для точности автоматизированной сборки печатных плат . Правильное их использование требует внимания к выбору диаметра, коэффициентам зазоров, геометрии размещения и однородности качества поверхности. Вложение времени в правильное проектирование опорных меток предотвращает дорогостоящие доработки и потери выхода годной продукции на последующих этапах. Для инженерных групп, стремящихся к надежному изготовлению и сборке, проверенные спецификации опорных меток должны быть частью каждого контрольного списка проектирования.

Получить быструю цитату

Часто задаваемые вопросы

Нужны ли мне реперные знаки для односторонних плат?
Да. Даже односторонние платы выигрывают от использования реперных меток при автоматизированной установке SMT. Без реперных меток машины полагаются исключительно на определение края платы, что приводит к большей позиционной неопределённости.

Какой размер реперного знака следует использовать для BGA с шагом 0.5 мм?
Используйте реперные знаки диаметром 1.0 мм с зазором не менее 2-кратного радиуса маски. Добавьте два локальных реперных знака по диагональным углам посадочного места BGA в дополнение к глобальным реперным знакам.

Сколько реперных знаков необходимо панели?
Панели должны иметь реперные знаки как минимум на двух противоположных углах рамы, хотя предпочтительнее размещение по всем четырем углам. Каждая дополнительная плата также должна сохранять свои глобальные реперные знаки после разделения на панели.

Можно ли использовать шелкографию в качестве реперного знака?
Нет. Шелкография не обладает необходимой отражающей способностью и точностью размеров для машинного зрения. Только открытая медь с соответствующей обработкой поверхности обеспечивает надёжное распознавание.

Что является причиной сбоев фидуциарного распознавания?
К распространённым причинам относятся окисление, загрязнение, заниженные зазоры, заглубление маски и неравномерная толщина покрытия. При возникновении неисправностей очистите платы и проверьте отверстия в маске.

Реперные знаки на печатной плате: полное руководство по проектированию и размещению

Введение