PCB Üzerindeki Fiducial İşaretleri: Eksiksiz Tasarım ve Yerleştirme Kılavuzu

Giriş

Fiducial işaretleri, makine görüş sistemleri tarafından SMT yerleştirme sırasında kartları hizalamak için kullanılan PCB üzerindeki küçük, açıkta kalan bakır referans noktalarıdır. Doğru referans işaretleri olmadan, alma ve yerleştirme makineleri üretim sırasında oluşan kart gerilmesini, dönüş hatalarını veya konumsal kaymayı telafi edemez. Bu kılavuz, referans işaretlerinin neden önemli olduğunu, önerilen boyutları ve boşlukları ve yerleştirme hatalarını ve yeniden işlemeyi azaltan pratik düzen kurallarını açıklamaktadır.

Fiducial Mark Nedir?

Referans işareti, engelsiz bir lehim maskesi boşluk bölgesiyle çevrili, dairesel, açıkta kalan bir bakır peddir. Çıplak bakır ve maske arasındaki yüksek kontrastlı arayüz, optik tanıma sistemlerinin hassas XY koordinatları oluşturmasını sağlar. Makine görüşlü kameralar, bileşenleri yerleştirmeden önce kart ofsetini, dönüşünü ve ölçek bozulmasını hesaplamak için referans işaretlerini kullanır.

Fiducial İşaretlerinin Temel İşlevleri

Referans noktaları üç kritik hizalama işlevi görür: konum düzeltmesi (panelden panele varyasyonu telafi etme), dönüş düzeltmesi (levha yükleme sırasında açısal yanlış hizalamayı ayarlama) ve ölçek telafisi (laminasyon sırasında termal veya mekanik gerilmeden kaynaklanan boyutsal değişiklikleri hesaba katma).

Güven İşaretlerinin Türleri ve Uygulamaları

Küresel Fiducial'lar

Küresel referans işaretleri, tüm kart için referans noktaları sağlar. Üç doğrusal olmayan konuma (genellikle üçgen şeklinde) yerleştirilen bu işaretler, yerleştirme makinesinin konum, dönüş ve ölçeklemeyi aynı anda hesaplamasını sağlar. Otomatik montaj gerektiren her PCB en az iki küresel referans işareti içermelidir, ancak üç adet olması şiddetle tavsiye edilir.

Yerel Emanetçiler

Yerel referans işaretleri, 0.5 mm'nin altında uç aralığına sahip BGA'lar ve QFP'ler gibi ince dişli bileşenlerin yanına yerleştirilir. Bunlar, genel referans işaretlerinin sağlayabileceğinin ötesinde yerel düzeltme sağlar ve yüksek yoğunluklu bölgelerdeki mikro ölçekli eğilme veya gerilmeleri hesaba katar. Bileşen aralığı 0.5 mm'nin veya bilye çapı 0.3 mm'nin altına düştüğünde yerel referans işaretleri ekleyin.

Panel Fiducialleri

Panel referans işaretleri, tek tek pano seviyesinden ziyade dizi seviyesinde bulunur. Koparma raylarına veya panel köşelerine yerleştirilen bu işaretler, hem SMT yerleştirme hem de panel ayırma ekipmanlarına kılavuzluk eder. Panel referans işaretleri, hem montaj hem de ayırma işlemleri sırasında dizideki tüm panolarda tutarlı bir sabitleme sağlar.

Temel Tasarım Parametreleri ve Önerilen Değerler

Uygun referans işareti boyutları, tanıma güvenilirliğini doğrudan etkiler. Aşağıdaki tablo, sektörde kabul görmüş teknik özellikleri özetlemektedir:

Bu Değerler Neden Önemlidir?

Maske boşluk oranı, bakır ile çevresindeki laminat arasında yeterli kontrast sağlar. Boşluk, referans yarıçapının 2 katının altına düştüğünde, yakındaki izler veya maske kenarları kenar algılama algoritmalarını etkileyebilir. 3.35 mm kenar boşluğu, mekanik işleme bölgelerini destekler ve panelden çıkarma sırasında referansların hasar görmesini önler.

Fiducial Mark Yerleştirme Kuralları ve En İyi Uygulamalar

Küresel Emanet Yerleştirme

Küresel referans işaretlerini PCB'nin üç köşesine asimetrik bir üçgen oluşturacak şekilde yerleştirin. Referans işaretlerini, kopan tırnaklara, kopan deliklerin yakınına veya mekanik bağlantı bölgelerine yerleştirmekten kaçının. Referans işaretleri arasındaki maksimum mesafe, dönüş telafisi için açısal çözünürlüğü artırır.

Yerel Emanet Yerleştirme

İnce aralıklı bileşen pedlerinin 5 mm yakınına, bakır, serigrafi veya lehim maskesi içermeyen boşluk bölgeleri bırakarak yerel referans işaretleri yerleştirin. BGA'lar için, çapraz olarak zıt köşelere iki yerel referans işareti yerleştirin. Bitişikteki herhangi bir bakır parçadan en az tam boşluk bölgesi mesafesini koruyun.

Panel Fiducial Yerleştirme

Panel referans işaretleri, dizi çerçevesinin dört köşesinde veya karşıt raylarda bulunmalıdır. Koparılabilir raylar kullanırken, referans işaretlerini V-kesit veya tırnaklı kenarlardan en az 5 mm uzakta konumlandırın. Montaj işlemi boyunca her alt panonun kendi referans işaretlerine veya ortak panel referans işaretlerine erişimini koruduğundan emin olun.

Kaçınılması Gereken Alanlar

Fiducial işaretlerini, takım deliklerinden, montaj deliklerinden, V oluklarından ve taşıma sırasında mekanik gerilime maruz kalan bölgelerden uzak tutun. Fiducial işaretlerini, panellerin sökülmesi sırasında çıkarılacak alanlara yerleştirmeyin.

İmalat ve Montaj Hususları

Yüzey İşlem Gereksinimleri

Referans noktalarının optimum kamera tanıma için yüksek yansıtıcılığa sahip yüzey kaplamalarına ihtiyacı vardır . HASL, ENIG ve daldırma kalay kaplamaları yeterli kontrast sağlar. OSP kaplamalar işe yarar ancak oksidasyon meydana gelirse tanıma oranları düşebilir. Tüm referans noktalarında kaplama kalınlığının homojen kalmasına dikkat edin; 5 μm'yi aşan varyasyonlar kenar tanımlamasını etkileyebilir.

Lehim Maskesi ve Şablon Etkileşimi

Fiducial işaretleri lehim maskesi kaplamasından tamamen arındırılmış olmalıdır. Kazara kaplamayı önlemek için CAD kütüphanenizde fiducial'ları lehim maskesi açıklıkları olarak tanımlayın. Şablon açıklıkları, fiducial konumlarını tamamen dışarıda bırakmalıdır; fiducial'lar üzerindeki macun birikintileri, tanıma doğruluğunu azaltır.

Görüntü Sistemi Arızalarının Giderilmesi

Yaygın tanıma hataları, kontaminasyondan (akı kalıntısı, işleme yağları), oksidasyondan (özellikle OSP yüzeylerinde), tutarsız maske kenarlarından (pürüzlü veya hizasız açıklıklar) ve düzensiz kaplamadan kaynaklanır. Yerleştirme makineleri tekrarlayan hizalama hataları bildiriyorsa, referans noktalarını büyüteç altında inceleyin. Kontaminasyondan şüpheleniliyorsa, levhaları IPA ile temizleyin.

Panel Fiducial Mark Hususları

Alt Kurul Emanet Tutarı

Panoları panellere ayırırken , her bir alt panonun paneller ayrıldıktan sonra işlevsel referans işaretlerini koruduğundan emin olun. Panel düzeni, ayrılabilir ray ile orijinal pano referans işaretlerini ortadan kaldırıyorsa, ayrılmadan sonra da kalacak şekilde pano ana hatları içine yedek referans işaretleri ekleyin.

Üreticiye Özel Gereksinimler

Farklı EMS sağlayıcıları, farklı panel referans noktaları konumları belirler. Bazıları, panel çerçevesinin dört köşesinde referans noktaları gerektirirken, diğerleri karşıt çiftleri kabul eder. Panel yerleşimini tamamlamadan önce gereksinimleri montaj ortağınızla teyit edin. Ray montajlı referans noktaları, taşıma ekipmanından kaynaklanan hasarı önlemek için ray kenarının en az 2 mm içine yerleştirilmelidir.

Yaygın Fiducial Mark Hataları

Hata 1: Küçük veya Maskelenmiş Fiducial'lar

0.8 mm'den küçük veya lehim maskesiyle kısmen kaplı referans noktaları tanıma kontrollerinde başarısız olur. Görüntüleme sistemleri, güvenilir kenar algılama için minimum piksel sayısı gerektirir. Üretime başlamadan önce maske açıklıklarını her zaman Gerber çıktısında doğrulayın.

Hata 2: Kenar Yakınlık İhlalleri

Tahta kenarlarından 3 mm mesafeye yerleştirilen referans noktaları, freze uçları veya V-score bıçaklarından kaynaklanan hasar riski taşır. Bu hata, tasarım döngüsünün sonlarında referans noktaları yeniden konumlandırılmadan tahtaların yeniden boyutlandırılması durumunda sıklıkla görülür.

Hata 3: Tutarsız Boyutlar

Referans çaplarının karıştırılması (örneğin, 1.0 mm genel ve 1.5 mm yerel) desen eşleştirme algoritmalarını karıştırır. Tek bir pano veya paneldeki tüm referans işaretleri için tek tip boyutlar koruyun.

Hata 4: Temizleme Bölgesi İhlalleri

Maske boşluk bölgesi içindeki serigrafi metin, logo veya iz yönlendirmesi kenar kontrastını düşürür. Tasarım kuralları, boşluk ihlallerini DRC hataları olarak uygulamalıdır.

Hata 5: Panel Ayrılma Hasarı

Sekmeli yönlendirmeli bağlantıların üzerine veya yakınına yerleştirilen referans işaretleri, panel ayırma işlemi sırasında zarar görebilir. Panel yönlendirme yollarını inceleyerek, ayırma işleminden sonra referans işaretlerinin sağlamlığını doğrulayın.

DRC ve Fiducial İşaretleri için Tasarım Kontrol Listesi

Pratik bir DRC kural seti, ticari markalarınızın her zaman üretilebilir ve makine tarafından okunabilir olmasını sağlamaya yardımcı olur :

• Referans noktasının çapı 1.0–3.0 mm olmalı ve iç çap toleransı ≤ 25 μm olmalıdır.

• Lehim maskesi açıklığı, referans noktası yarıçapının en az 2 katı olmalıdır.

• Referans noktasının merkezinden PCB kenarına olan minimum mesafe (boşluk alanı dahil) ≥ 3.35 mm olmalıdır.

• Her baskılı devre kartında en az iki genel referans noktası bulunmalıdır ; üç referans noktası ise daha sağlam bir hizalama sağlar.

• 0.5 mm'den daha küçük adım aralığına sahip herhangi bir bileşenin 5 mm yakınında yerel referans noktaları gereklidir.

• Güvenlik bölgesinin içinde bakır, serigrafi veya lehim maskesi özelliklerinin bulunmaması gerekir.

Bu kriterleri EDA DRC ayarlarınıza uygulamanız, SMT montajı sırasında tutarlı PCB hizalama performansı sağlar.

Durum çalışmaları

Başarılı Uygulama

Endüstriyel otomasyon için dört katmanlı bir kontrol kartı, L şeklinde üç adet 1.0 mm küresel referans noktası ve 0.4 mm aralıklı bir BGA'ya bitişik iki adet yerel referans noktası içeriyordu. İlk geçiş verimi, 10,000 ünitede %99.7'yi aştı. Tasarım, 3.0 mm maske boşluğu ayırdı ve 4.0 mm kenar aralığını koruyarak minimum gereksinimlerin ötesinde bir marj sağladı.

Başarısızlık analizi

Tüketici IoT cihazı için yapılan bir prototip çalışmasında, referans tanıma hataları nedeniyle %15 yerleştirme reddi yaşandı. İnceleme, depolama sırasında oksitlenmiş OSP kaplama ile birlikte yalnızca 1.5 kat yarıçaplı 0.8 mm referansların bulunduğunu ortaya çıkardı. 1.0 mm referanslar, ENIG kaplama ve 2.5 kat boşluk ile yeniden döndürme, tüm tanıma hatalarını ortadan kaldırdı.

Sonuç

Referans işaretleri, otomatik PCB montajının doğruluğu için temel öneme sahiptir. Doğru uygulama, çap seçimi, boşluk oranları, yerleştirme geometrisi ve yüzey kalitesi tutarlılığına dikkat edilmesini gerektirir. Doğru referans işareti tasarımına zaman ayırmak, maliyetli yeniden işleme ve verim kayıplarını önler. Güvenilir üretim ve montaj arayan mühendislik ekipleri için, doğrulanmış referans işareti özellikleri her tasarım kontrol listesinin bir parçası olmalıdır.

Sıkça Sorulan Sorular

Tek taraflı levhalar için referans işaretine ihtiyacım var mı?
Evet. Otomatik SMT yerleştirme kullanıldığında, tek taraflı levhalar bile referans işaretlerinden faydalanır. Referans işaretleri olmadan, makineler yalnızca levha kenarı algılamaya güvenir ve bu da daha fazla konumsal belirsizlik yaratır.

0.5 mm aralıklı BGA için hangi boyutta referans noktası kullanmalıyım?
En az 2x yarıçaplı maske boşluğuna sahip 1.0 mm çapında referans noktaları kullanın. Genel referans noktalarınıza ek olarak, BGA ayak izinin çapraz köşelerine iki yerel referans noktası ekleyin.

Bir panelin kaç adet referans noktasına ihtiyacı vardır?
Paneller, çerçevenin en az iki karşıt köşesinde referans işaretleri içermelidir; ancak dört köşeli yerleşim tercih edilir. Her alt pano, paneller söküldükten sonra kendi genel referans işaretlerini de korumalıdır.

Serigrafi baskı bir referans olarak kullanılabilir mi?
Hayır. Serigrafi, makine görüşü için gereken yansıtma ve boyut hassasiyetinden yoksundur. Yalnızca uygun yüzey kalitesine sahip açık bakır, güvenilir bir tanıma sağlar.

Emanet tanıma başarısızlıklarının nedenleri nelerdir?
Yaygın nedenler arasında oksidasyon, kontaminasyon, yetersiz boşluk alanları, maskenin taşması ve tutarsız kaplama kalınlığı bulunur. Arızalar meydana gelirse, panoları temizleyin ve maske açıklıklarını kontrol edin.