Проектирование печатных плат. Рекомендации.

Настоящий документ определяет общие технические требования для проектирования печатных плат с использованием электронных компонентов, предназначенных для поверхностного монтажа. При составлении документа использовались рекомендации стандарта IPC-782.

• скачать статью «Проектирование печатных плат. Рекомендации.» в формате .pdf

• скачать статью «Проектирование печатных плат. Рекомендации.» в формате .doc

1. Введение

Настоящий документ определяет общие технические требования для проектирования печатных плат с использованием электронных компонентов, предназначенных для поверхностного монтажа. При составлении документа использовались рекомендации стандарта IPC-782.

Помимо общих требований, изложенных в ГОСТ 23.751-86, данные рекомендации, учитывающие особенности оборудования RCM Group, позволят избежать ошибок при проектировании печатных плат.

2. Технические характеристики линий поверхностного монтажа

Автоматическая линия Siemens для серийного и крупносерийного монтажа печатных плат состоит из следующих автоматов

• Принтер полуавтомат EKRA E1 для нанесения паяльной пасты
• Установщик компонентов Siemens SIPLACE CF с комбинацией одиночной прецизионной и высокоскоростной 6-насадочной револьверной головками позволяет сочетать высокую точность позиционирования компонентов с высокой производительностью

6-насадочная револьверная головка Collect and Place:
Скорость установки: 9000 комп./час
Точность установки: ±90 мкм (4сигма)
Одиночная прецизионная головка Pick and Place:
Скорость установки: 1800 комп./час
Точность установки: ±50 мкм (4сигма)

• Установщик компонентов Siemens SIPLACE CS с двумя высокоскоростными 6-насадочными револьверными головками высокой производительности

Две 6-насадочных револьверных головки Collect and Place:
Скорость установки: 20000 комп./час
Точность установки: ±90 мкм (4сигма)

• Конвейерная 8-зонная печь конвекционного оплавления REHM с 5 зонами предварительного нагрева (длина зоны нагрева 3,6 м.), 2 зонами пайки и 1 зоной охлаждения. Позволяет работать по технологии бессвинцовой пайки

Автоматическая линия Siemens для мелкосерийного монтажа и монтажа опытных образцов печатных плат

• Принтер полуавтомат ASYS для нанесения паяльной пасты с функцией автоматической отчистки трафаретов
• Установщик компонентов Siemens SIPLACE CF
• Конвейерная 5-зонная печь конвекционного оплавления REHM. Позволяет работать по технологии бессвинцовой пайки

Обе линии оснащены автоматическими разгрузчиками печатных плат Nutek

Использование трафаретов, изготовленных из высококачественной стали, по технологии лазерной резки позволяет достигнуть высокого качества нанесения паяльной пасты на плату.

Оборудование, входящее в линию поверхностного монтажа, позволяет устанавливать компоненты от типоразмера 0201 до 55,0х55,0 из питателей различного типа с точностью от +/- 50 мкм.

Использование современного оборудования для установки SMT ( SMT - surface mount technology) элементов совместно с высококачественными расходными материалами позволяет сочетать высокую скорость и качество установки компонентов на печатные платы.

3. Типовой технологический процесс подготовки печатной платы к автоматизированному монтажу

Процесс подготовки печатной платы к автоматизированному монтажу можно разделить на несколько этапов:

- проверка печатной платы на соответствие требованиям для поверхностного монтажа компонентов;

- установка реперных знаков;

- создание технологической заготовки (панели из плат), с учетом технических характеристик монтажного оборудования, количества плат в заказе, особенностей изготовления и стоимости трафарета, и т. д.;

- размещение «технологических зон» на панели;

Процесс подготовки печатной платы к автоматизированному монтажу, как правило, производится силами технического отдела. При необходимости, количество плат в панели и её вид согласуется с заказчиком.

Желательно, чтобы предоставленный заказчиком файл содержал одиночную плату.

4. Требования к проектированию печатных плат предназначенных для автоматизированного монтажа поверхностно-монтируемых компонентов

4.1 Размещение компонентов и печатных проводников на поверхности печатных плат

- все поверхностно-монтируемые компоненты желательно размещать на одной стороне платы. В случае если это условие выполнить невозможно, следует разделить компоненты на «легкие» и «тяжелые» и размещать их на разных сторонах платы. Например, пассивные компоненты, разместить на одной стороне, микросхемы на другой;

- размеры площадок должны соответствовать рекомендуемым для данного типоразмера корпуса (информацию о размерах площадок можно уточнить в тех. документации на компонент либо в стандарте IPC-782);

- зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на рис. 1

Рис.1 Минимальные зазоры между компонентами.

* По согласованию с Техническим отделом допускается минимальное расстояние между компонентами 0.3 мм.

- компоненты должны располагаться не ближе 1.25 мм от края заготовки;

- ориентация компонентов на плате не имеет такого принципиального значения, как при пайке волной, так как на нашем производстве используется технология пайки оплавлением;

- полярные компоненты желательно ориентировать одинаково;

- желательно, чтобы максимальное число компонентов имели одинаковый типоразмер корпуса. Например: резисторы и конденсаторы - 0805. Подбор компонентов подобным образом позволяет установщикам с револьверными головками достигнуть максимальной производительности;

- поворот компонента вокруг своей оси с дискретностью в 1 градус;

- максимальная высота компонента 20 мм;

- максимальный вес компонента 25 г;

- для компонентов с шагом выводов 0.5 мм и менее по возможности оставлять место (по диагонали компонента либо по центру) для размещения локальных реперных знаков;

- деформация заготовки платы не должна превышать величин указанных на рис. 2

Рис. 2 Допустимая деформация заготовки платы.

- для предотвращения деформации платы в процессе производства печатной платы и монтажа при нагреве в печи, полигоны на внешних и внутренних слоях (для многослойных плат) необходимо размещать равномерно по поверхности платы и выполнять их в виде сетки из проводников;

- проводники и переходные отверстия, размещенные под компонентами, должны быть закрыты защитной маской;

- переходные отверстия, находящиеся под корпусами BGA, должны быть закрыты защитной маской;

- расстояние от края неметаллизированного отверстия до контактной площадки или проводника должно быть не менее 0.5 мм;

4.2 Соединение проводников с площадками SMT

Для уменьшения оттока тепла от контактных площадок при пайке (для исключения появления «холодных» паек) необходимо:

- использовать узкие проводники, соединяющие непосредственно контактную площадку и широкий проводник, как показано на рис. 3.

Ширина подводящего «узкого» проводника выбирается в зависимости от класса точности платы и от проходящего по нему тока.

Рис. 3 Примеры подвода широких проводников к контактным площадкам.

- все перемычки между ножками SMT микросхем должны находится вне зоны пайки:

Рис. 4 Примеры подвода проводников к площадкам микросхем.

- площадки SMT компонентов, находящихся на больших полигонах, должны быть отделены от полигона перемычками («термальный контакт») рис. 5.

Рис. 5 Примеры размещения площадок SMT компонентов на больших полигонах

- вокруг контактной площадки нанести маску, которая будет препятствовать перемещению расплавленного припоя вдоль проводника.

4.3 Рекомендации по выполнению переходных отверстий

Во многом качество монтажа поверхностно-монтируемых компонентов зависит от правильного выполнения переходных отверстий. Неправильное размещение переходных отверстий относительно площадок SMT компонентов является распространенной ошибкой разработчиков.

- не допускается располагать переходные отверстия на контактных площадках компонента;

Приведенный ниже рисунок (рис. 6) демонстрирует рекомендуемое расположение переходных отверстий и контактных площадок.

Рис. 6 Примеры расположения переходных отверстий.

4.4 Рекомендации по выполнению маркировки на плате

- маркировка на плате выполняется методом шелкографии либо в слое проводников;

- графические и позиционные обозначения компонентов должны отражать полярность и ориентацию компонентов на плате;

- в случае необходимости на плате предусматривается место для нанесения даты изготовления платы и класса горючести;

- маркировку, выполненную методом шелкографии желательно располагать только по областям платы, покрытых защитной маской;

- элементы маркировки компонентов расположенных рядом друг с другом не должны пересекаться и накладываться друг на друга.

Следует учитывать, что элементы маркировки, попадающие на площадки открытые от маски и покрытые финишным покрытием (ПОС-61, иммерсионное золото и д.р.) наноситься не будут.

5. Требования к технологической заготовке основания печатной платы

Перед запуском платы, предназначенной для автоматизированного монтажа, в производство из одиночной платы создается технологическая заготовка в виде панели из плат либо одиночной платы с технологическими зонами (полосами).

- размер заготовки должен быть не более 300.0 x 412.0 мм;

- рекомендуемый размер заготовки 250.0 x 350.0 мм;

- толщина листа заготовки платы 0.5 – 4.5 мм;

- не допускается белый и жёлтый цвет масочного покрытия;

- максимальный вес заготовки печатной платы 3 кг;

5.1 Технологические зоны

Технологические зоны (рис. 7) одновременно выполняют несколько функций:

- используются для фиксации заготовки в трафаретном принтере (при нанесении паяльной пасты), на линии по автоматической установке компонентов;

- позволяют размещать компоненты практически у самого края платы;

- используются для размещения реперных знаков;

- используются для придания дополнительной жёсткости заготовке при ее маленькой толщине и наличии в ней большого числа внутренних вырезов.

Рис. 7 Технологические зоны.

Технологические зоны, как правило, располагаются вдоль длинной стороны заготовки и имеют ширину 5 мм. По краям технологических зон имеются отверстия диаметром 3.3 мм для фиксации заготовки в трафаретном принтере. От заготовки технологические зоны разделяются методом скрайбирования либо мостиками.

В случае, если применение технологических зон недопустимо, на плате должны быть предусмотрены области свободные от компонентов и соответствующие характеристикам технологических зон.

5.2 Реперные знаки (Метки отсчета, Fiducial Marks)

Метка отсчёта является центром системы координат на этапе сборки платы. Она позволяет оборудованию автоматизированной линии установки компонентов корректировать погрешности измерения текущих координат, накапливающиеся в процессе автоматической установки компонентов на плату.

Существует два вида меток начала отсчета: глобальные (Global fiducials) и локальные (Local fiducials).

- глобальные метки используются для всей платы или, в случае нескольких плат объединённых в панель, для привязки всей панели. Требуется минимум две глобальных метки, обычно расположенные в диагонально-противоположных углах платы на максимально возможном друг от друга расстоянии. Глобальные метки должны быть на всех слоях, содержащих компоненты.

- локальные метки используются для привязки конкретного компонента (обычно с большим количеством выводов и маленьким шагом между ними) для вычисления координат (X,Y offsets). Локальные метки отсчёта, располагаются обычно по диагонали, на периметре области, занимаемой данным компонентом. В случае нехватки свободного места допускается использовать одну локальную метку отсчета предпочтительно в центре, занимаемой компонентом области.

Все метки располагаются вне запрещённых зон для проводников и компонентов.

Для нашего оборудования предпочтительно применять метки отсчета в форме закрашенного круга, А = (0.8…3.0)мм (0.03”…0.12”) (рис. 8). Рекомендуемый размер “А” метки отсчёта - 1.0 мм.

На печатной платы (на панели) метки отсчёта должны быть одной формы и размера. Допускается глобальные метки делать большего размера, чем локальные.

Рис. 8 Применяемые метки отсчёта.

Вокруг метки должна быть запрещённая зона для проводников, компонентов и защитной маски. Все метки должны быть изображены в слое проводников. Метки должны быть освобождены от маски и иметь гладкое, хорошо отражающее свет, металлическое покрытие (никель, сплавы олова, серебро,…). Между метками и краем платы должно быть расстояние не менее 5.0 мм (0.2”) плюс ширина запрещённой зоны.

Рекомендуется размещать метки в точках, как показано на рис.9.

Рис.9 Пример размещения меток отсчёта.

5.3 Размещение нескольких плат на заготовке

Как уже было сказано выше, в случае необходимости, одиночные платы объединяются в панель.

Рис. 10 Пример расположения нескольких плат на одной заготовке.

Расстояние между платами должно соответствовать требованиям применяемой технологии разделения плат: фрезерованию (рис. 11), процарапыванию по контуру (скрайбированию рис. 12).

Рис. 11 Пример разделения плат фрезерованием.

Рис. 12 Пример разделения плат скрайбированием.

Линии разлома должны, с одной стороны, обеспечивать достаточную прочность панели с платами при нанесении паяльной пасты и установке компонентов, и с другой стороны, обеспечивать гарантированное разделение готовых плат при разламывании.

6. Техническая документация

Предоставляемая заказчиком техническая документация должна содержать:

- файл (файлы) проекта;

- заполненный бланк заказа (бланк можно загрузить с нашего сайта, из раздела «Заявка»);

- монтажную схему устанавливаемых компонентов. В случае если предполагается нестандартная установка компонентов (приклеивание или пайка корпуса элемента к плате, установка компонентов в различных исполнениях корпусов и т.д.), информация об этом должна присутствовать на монтажной схеме (это же относится и к монтажу выводных компонентов);

- спецификацию, с указанием наименования компонентов, их позиционных обозначений на плате, номиналов и типов корпуса.

В заключении хотелось бы еще раз обратить внимание на то, что неправильно подготовленные файлы проекта и технической документации усложняют, а иногда и делают невозможным проведение монтажных работ.