Привет, на связи Андрей Шведов, руководитель проектов ГРАН Груп!
Разработчики электроники стремятся сделать свой проект с минимальным количеством вопросов и доработок со стороны производителя. Служба качества всегда хочет получить минимальный уровень брака. Сотрудникам монтажного производства хотелось бы видеть оптимизацию под линию монтажа для достижения максимальной производительности. А вопросы минимизации стоимости печатных плат и сокращения сроков поставки всегда крайне важны для компании в целом. Но как возможно отвечать всем этим требованиям одновременно?
Всего этого можно добиться, соблюдая набор принципов концепции DFM (англ. design for manufacturing) – "проектирование с учетом производства". Она имеет довольно простой смысл: задуманные в проекте решения следует реализовывать, учитывая особенности технологических процессов и возможности производств.
Следуя принципам DFM, вы получаете надежные и соответствующие функциональным характеристикам печатные платы, поставленные в срок, с минимальным риском дефектов и по оптимальной стоимости.
Цель нашей статьи – показать, что соблюдая простые рекомендации и имея представление о "популярных" ошибках, можно заметно сэкономить время.
Структура печатной платы
Структура слоёв не только описывает базовую конструкцию печатной платы. В ней также отражаются и требования к свойствам используемых диэлектриков и проводящим слоям. В большинстве проектов необходимо знать расположение слоёв и свойства материалов для обеспечения должного функционирования печатной платы.
Определите и сформируйте структуру платы в первую очередь.
Конкретным толщинам диэлектриков и меди следует придерживаться только в случае необходимости с точки зрения функционирования платы. Если без объективной необходимости требовать соблюдения конкретных толщин, то их может не оказаться в наличии на складе, или они могут не использоваться.
При выборе толщины меди помните: чем толще базовая медь, тем большие проводники и зазоры необходимо задавать и использовать.
Финишное значение меди отлично от базового: для внутренних слоёв меньше из-за обработки поверхности для получения топологии и перед прессованием, а для внешних — больше в результате дополнительной металлизации.
Запросите используемые производством марки материалов, чтобы знать их спецификации и следовать им в дальнейшем при формировании стека.
Не забывайте и про допуск на толщину платы.
Проводники и зазоры
Зачастую в проекте могут использоваться слишком малые значения, из-за чего элементы топологии размещаются слишком близко друг к другу или имеют слишком малые размеры, вследствие чего плату невозможно изготовить.
Обеспечьте минимальные значения проводников и зазоров в топологии слоёв в соответствии с используемой толщиной меди.
Чтобы обеспечить возможность производства, необходимо контролировать следующие значения:
⁃ ширина проводников;
⁃ зазор проводник — проводник;
⁃ зазор проводник — контактная площадка;
⁃ зазор проводник/контактная площадка — полигон;
⁃ зазор контактная площадка — контактная площадка;
⁃ зазор между медью и краем платы.
Современные системы автоматизированного проектирования позволяют задавать правила, которые рекомендуется установить в самом начале исполнения проекта.
Не пренебрегайте проверкой правил проектирования (DRC) в уже готовом проекте платы.
Подбирайте значения исходя из задуманной функциональности и назначения платы. Например, избыточно закладывать минимальные параметры для платы с простой конструкцией. Технологические возможности производств различны, т.к. они специализируются на ПП различных типов, — это определяет и наличие определенного оборудования с использованием соответствующих технологий, и конечную стоимость.
Как правило, возможности производств, а значит и параметры плат, разделяют на 3 типа:
⁃ стандартные;
⁃ улучшенные;
⁃ предельные.
Кислотные ловушки
Еще одна очень распространенная ошибка, на которую следует обратить внимание, — это кислотные ловушки. Из области с острыми углами трудно удалить травящий раствор, концентрация которого может привести, например, к перетраву проводников и контактных площадок, размыканию цепей — словом, снижению надежности и работоспособности платы.
Избегайте кислотных ловушек (англ. acid traps) в топологии.
Избегайте при трассировке дорожек и их подключения к контактным площадкам под острыми углами.
Не пренебрегайте проверкой на наличие кислотных ловушек в уже готовом проекте. Современные CAD и CAM программы позволяют делать такую проверку в автоматизированном режиме.
Примеры кислотных ловушек в топологии платы можно увидеть на рисунках ниже.
Баланс меди
Несоблюдение баланса меди в проекте печатной платы — еще одна частая проблема, которую допускают при разработке и которая оказывает прямое влияние на риск возникновения плоскостной деформации (изгиб и кручение) платы.
Баланс меди включает в себя:
- баланс меди внутри одного слоя печатной платы;
- баланс меди между всеми слоями ПП относительно ее центра;
- баланс расположения металлизированных отверстий.
Соблюдайте баланс меди.
Рекомендуемая разница по меди между слоями не более 30%.
Не забывайте добавлять сетчатые полигоны на свободные участки.
Полигоны земли, питания и просто большие заливки медью следует располагать симметрично относительно центра платы.
Базовую медь, глухие и скрытые отверстия также следует располагать симметрично относительно центра платы.
Примеры баланса меди в стеке, топологии платы смотрите на рисунках ниже.
Какая деформация жестких плат допустима по IPC?
Следует отметить, что деформация плат допустима и регламентируется стандартами. В IPC-T-50 приведены определения двух видов отклонения от плоскостности плат – изгиба и кручения (англ. bow & twist).
Изгибом называется деформация печатной платы вдоль одной из сторон. При такой деформации четыре угла платы расположены в одной плоскости.
Кручение – это деформация печатной платы вдоль диагонали. При такой деформации один угол не будет лежать в плоскости с тремя другими.
В IPC деформация условно измеряется в процентах. Согласно IPC-6012 изгиб и кручение должны составлять не более 0,75% для плат с поверхностным монтажом и не более 1,5% для всех остальных плат.
Для примера рассчитаем кручение для ПП с диагональю D = 200 мм при измеренном отклонении угла платы от плоскости R = 2 мм.
Кручение в %:
Металлизированные и неметаллизированные отверстия
Ошибки при проектировании как металлизированных, так и неметаллизированных отверстий также являются одними из частых проблем, с которыми сталкиваются при производстве:
⁃ не соблюдены требования по aspect ratio для отверстий;
⁃ не соблюдены требования по отступу между сверлом и медью для неметаллизированных отверстий.
Задайте отверстия в соответствии с возможностями производства.
Требование по соблюдению aspect ratio обусловлено технологическим процессом металлизации отверстий. При стандартных возможностях, когда aspect ratio 1:8 для толщины платы 1,60 мм, — отверстие не может быть меньше 0,20 мм. Подробные параметры производственных возможностей можно увидеть на рисунке.
Aspect ratio – соотношение диаметра минимального отверстия к толщине платы.
Расстояние от сверла до меди неметаллизированного отверстия (параметр D на рисунке) — это расстояние от края просверленного отверстия до ближайшего медного элемента в топологии платы. Однако необходимо учитывать допуск на сверление, чтобы определить правильное расстояние.
Пользуйтесь формулой: размер готового отверстия + допуск = диаметр сверла.
Контактные площадки переходных отверстий
Ошибки в размерах контактных площадок переходных отверстий наиболее часты, особенно, когда необходимо обеспечить неразрывность гарантийного пояска.
Задайте контактные площадки в соответствии с возможностями производства.
Помните, что в процессе сверления возможно смещение сверла относительно заложенной контактной площадки (КП). Для плат по 3 классу IPC разрыв при таком смещении недопустим и контролируется минимальная ширина гарантийного пояска, а для плат по 2 классу — при определенных условиях остается допустимым. Согласно IPC-6012 для 2 класса допустим выход отверстия за пределы пояска не более чем на 90° своей окружности. Для 3 класса выход отверстия за пределы пояска недопустим вовсе: минимальная ширина пояска в результате смещения не должна быть меньше 0,05 мм.
Пользуйтесь формулой для гарантийного пояска: (диаметр контактной площадки отверстия - диаметр отверстия) / 2 = ширина гарантийного пояска.
Для гарантированной неразрывности пояска используйте диаметр КП отверстия на 0,203 мм (8 mil) больше в случае 2 класса IPC и на 0,254 мм (10 mil) в случае 3 класса IPC.
Добавьте каплевидность (для плат по классам 1 и 2), там где это возможно, при переходе проводника в КП отверстия, чтобы предотвратить разрыв при малых размерах гарантийного пояска. Современные CAD и CAM программы позволяют сделать это в автоматизированном режиме по заданным правилам.
Не подключенные на внутренних слоях КП рекомендуется удалять, чтобы обеспечить максимальные зазоры между элементами топологии и не усложнять производство.
Паяльная маска
Популярные ошибки, которые встречаются в проектах, для паяльной маски — это использование слишком малых значений вскрытий и зазоров в ней, недостаточных масочных перемычек, что в дальнейшем создаст трудности при монтаже и вероятность брака изделий.
Соблюдайте параметры для паяльной маски в соответствии с возможностями производства.
Минимальный зазор до ближайшего проводника, зазор между площадками, размер вскрытия паяльной маски и минимальная масочная перемычка (параметры E, F, G и H соответственно на рисунке) зависят от используемой меди, следует использовать значение не меньше указанных.
При использовании паяльной маски отличной от зеленой технологически возможности сужаются.
Почему же так происходит? Паяльная маска – это фоторезистивный материал, полимеризующийся под воздействием ультрафиолетового излучения. Во время изготовления платы жидкая маска наносится на всю поверхность платы и немного подсушивается. Затем через фотошаблон или методом прямого экспонирования с помощью ультрафиолета отверждаются отдельные участки. С остальных участков маска удаляется, тем самым формируя требуемый рисунок.
Паяльные маски разных цветов по-разному поглощают излучение, в связи с чем производители оборудования для экспонирования стремятся получить лучшие параметры при использовании зеленых паяльных масок. Данный цвет лучше всего подходит для фотопроцессов и является «стандартным» для индустрии. Кроме того, качество нанесения масок некоторых цветов не может быть проверено на автоматизированном оптическом контроле.
Использование зеленой маски позволяет для меди толщиной 12 и 18 мкм выполнять масочные перемычки шириной менее 0,10 мм и задавать вскрытия в маске менее 0,05 мм на сторону. Для других цветов параметры вскрытия должны быть больше.
Если ширина полоски паяльной маски меньше производственных возможностей, она может отломиться после отвердения, а далее возникнет возможность соединения двух контактных площадок припоем при монтаже.
Следует избегать «микса» вскрытий, когда размеры вскрытия маски для одного и того же компонента разные, и делать вскрытие одного и того же размера.
Открытые от маски переходные отверстия в контактных площадках
В даташитах можно найти рекомендации по использованию переходных отверстий в теплоотводящих площадках. При этом необходимо заранее учесть особенности монтажа, а также сложности, которые могут возникнуть при отсутствии дополнительной защиты переходных отверстий. Рассмотрим, что следует помнить при варианте дизайна, когда ПО открыты от маски с двух сторон.
Учитывайте особенности монтажа при использовании открытых переходных отверстий в контактных площадках.
Диаметр переходных отверстий должен быть не более 0,30 мм — иначе через эти отверстия может уходить паяльная паста.
Вскрытие переходных отверстий с обратной стороны может быть как вместе с площадкой, так и без нее, с минимальным диаметром вскрытия примерно на 0,20 мм больше диаметра переходного отверстия.
На плате в открытых от маски переходных отверстий менее 0,35 мм возможны остатки маски (диаметр слишком мал, чтобы вымыть всю маску после нанесения).
При использовании горячего лужения (HASL) в переходных отверстиях возможно образование шариков припоя.
При использовании иммерсионных покрытий в переходных отверстиях могут остаться агрессивные химические соединения.
Открытые переходные отверстия можно выполнять с заполнением по IPC-4761 Туре VII. Тогда поверхность термоплощадки будет восстановлена для дальнейшего монтажа. На противоположной стороне могут быть открыты не только сами ПО, но и дублирующая термоплощадка (также с восстановленной поверхностью). Такой вариант изготовления наиболее удобен для монтажа и делает плату более надежной, но приводит к увеличению стоимости платы и снижает предельные возможности выполнения зазоров из-за дополнительной металлизации.
Открытые от маски только с одной стороны переходные отверстия в контактных площадках
Вариант дизайна, когда переходные отверстия открыты от маски с одной сторон и закрыты с другой часто встречается в проектах, но является крайне не технологичным.
Учитывайте особенности последующего монтажа при использовании открытых с одной стороны и закрытых с другой переходных отверстий в контактных площадках.
Открытые только с одной стороны переходные отверстия в термоплощадках — это:
⁃ возможный выход маски на сторону пайки;
⁃ невозможность нанесения финишного покрытия на стенки отверстия;
⁃ остатки химии после иммерсионных покрытий в отверстиях;
⁃ скопление шариков припоя внутри и над отверстием.
При крайней необходимости применения следует добавлять заполнение по Type VI-a. Это позволит уменьшить провисание маски, снизит риск попадания шариков припоя внутрь отверстия в случае с применением HASL, а при использовании иммерсионных покрытий уменьшит наличие остатков химии.
Вместо маски может быть использована эпоксидная смола, которая заполнит отверстие полностью и даст лучшую плоскостность поверхности. Использование эпоксидной смолы при забивке по Type VI-a позволяет избежать неполного заполнения отверстий, как при использовании для этих целей маски. Риск наличия остатков химии и шариков припоя в этом случае исчезает, но заполнение эпоксидной смолой также приводит к увеличению стоимости изготовления печатной платы.
Также можно использовать заполнение по Type VII, чтобы восстановить термоплощадки компонентов с отверстиями и получить ровную поверхность.
Стандарт IPC-4761 описывает различные типы заполнения переходных отверстий, где наиболее часто используются следующие типы:
Type VI "Filled and covered" — заполнение отверстий паяльной маской либо эпоксидной смолой с последующим нанесением основного слоя паяльной маски.
Type VII — технология заполнения отверстий эпоксидной смолой с последующим покрытием медью (англ.-via in pad plated over, сокращенно - VIPPO).
Общие решения для переходных отверстий в термоплощадках
Диаметр отверстия не больше 0,30 мм, открывается с обеих сторон платы (с обратной стороны делаем вскрытие только самих отверстий без площадок или отверстий с площадками).
Делаем забивку эпоксидкой с восстановлением площадки (забивка по VII типу IPC4761 Filled and capped).
Делаем с заполнением маской со стороны, где отверстие закрыто маской, допускаем заполнение отверстия менее 70% и возможный выход маски на сторону пайки (тип VI-a IPC4761 Filled and covered).
Делаем отверстия закрытыми с обеих сторон платы, то есть закрываем только сами отверстия на открытой термоплощадке. При необходимости добавляем забивку маской (тип IV-b по IPC-4761 Plugged and covered или тип VI-a IPC4761 Filled and covered).
Переходные отверстия рядом с SMD-площадками
При расположении переходных отверстий рядом с контактными площадками необходимо обращать внимание на расстояние от края отверстия до края вскрытия в маске. Если это расстояние меньше 0,2 мм, то переходное отверстие, попадающее в край площадки, может оказаться частично открытым.
Не располагайте переходные отверстия слишком близко к контактным площадкам.
Помните, что частичное открытие переходных отверстий приведет к проблемам при монтаже из-за утечки припоя, а также к проблемам с надежностью этих отверстий при использовании иммерсионных финишных покрытий из-за остатков химии.
Возможна корректировка отверстия, чтобы выполнить отверстие полностью закрытым. Однако, это негативно сказывается на качестве монтажа, так как уменьшает площадь пайки.
Общая рекомендация — следует избегать такого расположения переходных отверстий.
Заполнение переходных отверстий
Важно уделять внимание защите переходных отверстий и не пренебрегать этим пунктом, чтобы избежать проблем как в краткосрочной так и в долгосрочной перспективе в связи с воздействием окружающей среды. Выше мы обсуждали заполнение в рамках рекомендаций по проектированию переходных отверстий, но давайте остановимся на этом пункте подробнее.
Добавьте забивку переходных отверстий.
Рекомендуем заполнять переходные отверстия паяльной маской или эпоксидной смолой (в зависимости от особенностей печатной платы).
Преимущества забивки переходных отверстий в предотвращении в них:
⁃ остаточной химии, что предотвращает коррозию;
⁃ попадания воздуха;
⁃ образования шариков припоя;
⁃ протекания паяльной пасты;
⁃ загрязнения под компонентами;
⁃ попадания различных веществ в процессе монтажа платы.
Используйте в спецификации к плате описание по забивке с указанием типа.
Отверстия должны заполняется на 100%, но считается приемлемым, если достигается заполнение > 70%.
Необходимо соблюдать определенные параметры для переходных отверстий, чтобы выполнить их забивку.
Для качественного заполнения необходимо соблюдать следующие рекомендации:
Заполнение переходных отверстий маской по типу VI:
⁃ минимальный диаметр — 0,2 мм;
⁃ максимальный стандартный диаметр — 0,5 мм;
⁃ максимальный предельный диаметр — 0,55 мм.
Заполнение переходных отверстий эпоксидной смолой по типам VI и VII:
⁃ минимальный диаметр — 0,2 мм;
⁃ максимальный стандартный диаметр — 0,6 мм;
⁃ максимальный предельный диаметр — 0,8 мм.
При отсутствии заполнения и закрытии переходных отверстий только маской рекомендуется использовать диаметры не более 0,3 мм.
Тепловой баланс
Про тепловой баланс часто забывают при проектировании, и тогда тепло, необходимое для пайки компонента, может уходить на слой полигона, который выступает в качестве большого радиатора, или не распределяться равномерно на все КП, что приводит к эффекту холодной пайки, утечке припоя, повороту и скручиванию компонентов.
Помните о тепловом балансе при подсоединении проводников к контактным площадкам.
Используйте термобарьеры: они снижают скорость отвода тепла в слое и предотвращают утечку припоя, что помогает предотвратить холодную пайку.
Для SMD-компонентов, особенно небольших, используйте терморельефы, чтобы тепловая масса на обоих концах была одинакова, так вы избегаете эффекта «надгробных камней», скрученных компонентов или даже сломанных компонентов.
Используйте терморельефы на слоях земли и питания, чтобы обеспечить хорошую смачиваемость, это важно и для HMD-компонентов, для хорошей смачиваемости в стволе отверстия. Формулы для терморельефов можно найти в серии IPC-2220.
Следуйте IPC-2222A 9.1.2 для расчета ширины перемычки соединяющей отверстий с полигоном.
Практическое правило: максимально общая совокупная ширина перемычки с учетом всех слоев платы обеспечивающая хорошую смачиваемость площадки:
⁃ 35 мкм = макс 4мм
⁃ 70 мкм = макс 2мм
Сохраняйте симметричность трассировки: если один проводник выходит из внутренней стороны контактной площадки, то и второй должен выходить также. Это является особенно критичным в зонах без паяльной маски, поскольку позволяет предотвратить смещение компонентов.
Рекомендуется делать сбалансированное количество меди, соединяющей КП.
Шелкография
Распространенные ошибки в слое шелкографии, которые не соответствуют технологиям производства, — это нулевые линии (менее 0,08 мм), обозначения малой высоты, тексты/знаки на вскрытии в маске или без отступа от вскрытия.
Соблюдайте минимальные параметры шелкографии.
Сделайте отступ от вскрытия в маске не менее 0,10 мм.
Используйте рекомендуемые параметры для обозначений: не менее 0,7 мм в высоту и 0,13 мм в ширину. Подробные параметры для шелкографии указаны на рисунках.
Убедитесь в отсутствии перекрытий шелкографии. Хоть технически это не является проблемой при изготовлении, но при CAM-подготовке проекта возникнет дополнительный вопрос.
Убедитесь в отсутствии маркировки на контактных площадках.
В случаях, когда шелкография несет дополнительную функцию на плате (например, штрих-коды, QR-или Data Matrix- коды, логотипы и др.), необходимо сообщать об этом при заказе платы, чтобы учесть это при изготовлении.
В стандартах IPC отсутствуют подробные требования к нанесению шелкографии и ее качеству. IPC-A-600 дает лишь требование к «читаемости», подразумевая, что шелкография всегда представляет собой текстовую или символьную информацию.
Шелкография может наноситься двумя способами на усмотрение производства или в зависимости от объема заказа. Толщина при этом не контролируется.
Для крупных заказов используют, как правило, трафаретный метод нанесения. Краску продавливают через трафарет ракелем (по аналогии с нанесением паяльной пасты). При нанесении с помощью трафарета толщина слоя шелкографии составляет порядка 10-15 мкм.
Для мелких заказов часто используют нанесение с помощью струйного принтера. Принтеры обычно имеют разные режимы работы: стандартный режим и режим высокой точности (в этом случае печать занимает больше времени). Для струйного принтера разброс толщины может быть больше, в зависимости от марки оборудования и режима работы: от 10 до 40 мкм.
Обработка контура
Отсутствие необходимых отступов от меди и отверстий — еще одна очень распространенная ошибка в проектах ПП. Как правило, не учитываются особенности способа обработки контура или подразумевается, что они идентичны как для фрезеровки, так и для скрайбирования.
Часть основных проблем для обработки контура:
отсутствует или слишком мал отступ меди (полигоны, площадки, проводники) от края ПП;
отсутствует или слишком мал отступ отверстий от края ПП;
шелкография находится слишком близко к краю.
Учитывайте особенности обработки контура.
Учитывайте основные отступы при обработке контура фрезой:
отступ меди от края платы на 0,25 мм (0,20 мм минимум) во всех слоях;
отступ неметаллизированных отверстий, пазов от края платы не менее 0,40 мм;
отступ шелкографии (позиционных обозначений) на 0,20-0,25 мм от края платы.
Учитывайте основные отступы при обработке контура скрайбированием:
отступ меди от края платы 0,5 мм (0,4 мм минимум) во всех слоях платы;
отступ отверстий от края платы не менее 0,80 мм;
отступ шелкографии (позиционных обозначений) на 0,40-0,45 мм от края платы.
При скрайбировании для плат толщиной 0,5-2,3 мм контролируется остаточная толщина. При более толстых платах остаточная толщина выполняется по согласованию.
Ошибки в документации, ее неоднозначность
Наиболее распространенные ошибки связаны с качеством входящей информации, которая может быть:
отсутствующей;
неоднозначной;
непонятной;
противоречивой.
Это приводит к большому количеству инженерных вопросов и зачастую длительному согласованию по ним.
Отправляйте полную (но не избыточную) и однозначную информацию к проекту ПП.
Вопросы нужно задать, иначе на выходе может получиться совсем не тот продукт, который ожидается.
Все вопросы нацелены на то, чтобы «на выходе» получилось изначально задуманное и заложенное в конечное изделие.
Основные необходимые параметры для изготовления ПП указаны в бланке заказа ГРАН, который есть на официальном сайте компании, нажмите «Сделать заказ».
Укажите подробно все необходимые дополнительные параметры, допуска и особенности, которые заложены в конструкцию ПП.
Укажите необходимые согласования.
Отправляйте информацию, относящуюся только к производству печатных плат.
Избегайте слишком большого количества информации, поскольку это почти всегда приводит к некоторой двойственности информации.
Ссылайтесь на международные общепринятые стандарты (IPC). В противном случае конкретное требование должно быть выделено и предоставлено в подробностях.
Указывать параметры вывода Gerber файлов и файлов сверловки.
Отправив полную и однозначную информацию, вы получите:
То, что ожидаете!
Необходимый уровень качества!
Соответствующее параметрам ценообразование!
Минимальный срок поставки!
Отсутствие риска «собственных интерпретаций»!
Спасибо, что прочитали!
Мы надеемся, что данные рекомендации помогут проектировать ваши печатные платы еще лучше!
Еще у нас есть телеграм-канал, где мы на регулярной рассказываем подобные темы, разбираем ваши вопросы и просто делимся экспертизой производства и проектирования. Присоединяйтесь, будет интересно!
На нашем сайте вы можете также найти руководства по проектированию жестких печатных плат и HDI, а также руководство по входному контролю. Скачать их можно тут. В будущем мы планируем выпускать еще такие материалы! Их появление мы анонсируем в нашем тг-канале.