Wyzwania związane z projektowaniem PCB w SMT: wspólne problemy, sprawdzone rozwiązania i krytyczne wymagania

Surface Mount Technology (SMT) stała się podstawą nowoczesnej produkcji elektroniki, umożliwiając kompaktowe, wydajne urządzenia, które zasilają wszystko, od smartfonów po roboty przemysłowe.Jednakże, przejście od elementów z otworami do elementów montowanych na powierzchni stwarza wyjątkowe wyzwania projektowe, nawet niewielkie błędy mogą prowadzić do awarii montażu, pogorszenia sygnału lub kosztownej przebudowy.

W niniejszym przewodniku omówiono najczęściej występujące problemy związane z projektowaniem PCB w produkcji SMT, przedstawiono rozwiązania wykonalne oparte na standardach branżowych oraz przedstawiono podstawowe wymagania dotyczące bezproblemowej produkcji.Niezależnie od tego, czy projektujesz urządzenia elektroniczne, systemów motoryzacyjnych lub urządzeń medycznych, opanowanie tych zasad zapewni, że PCB spełnią cele wydajności przy jednoczesnym zminimalizowaniu bólu głowy w produkcji.

Kluczowe kwestie projektowania SMT i ich wpływ
Dokładność SMT wymaga skrupulatnego projektowania.
1. Nieodpowiednia dopuszczalność składników
Problem: składniki umieszczone zbyt blisko siebie stwarzają wiele zagrożeń:
Łączenie pomiędzy sąsiednimi podkładkami, powodujące zwarcia.
zakłócenia podczas automatycznego montażu (maszyny do zbierania i umieszczania mogą zderzać się z pobliskimi częściami).
Trudność w kontroli i ponownej pracy po montażu (systemy AOI mają trudności z wyświetleniem ciasnych luk).
Punkty danych: Badanie przeprowadzone przez IPC wykazało, że 28% wad montażu SMT wynika z niewystarczającego rozstawienia części, kosztując producentów średnio 0,75 USD za wadliwą jednostkę w remoncie.

2Niewłaściwe wymiary podkładki.
Problem: podkładki, które są zbyt małe, zbyt duże lub nie pasują do przewodów komponentów powodują:
Tombstoning: Małe elementy (np. rezystory 0402) odciągają się od jednej podkładki z powodu nierównomiernego skurczenia lutownicy.
Niewystarczające połączenia lutowe: Słabe połączenia podatne na awarię w wyniku obciążenia termicznego lub mechanicznego.
Nadmiar lutowania: kulki lutowe lub mostki, które powodują korki elektryczne.
Powodem: Zaleganie na przestarzałych lub ogólnych bibliotekach podkładek zamiast standardów IPC-7351, które określają optymalne rozmiary podkładek dla każdego typu komponentów.

3Słaby projekt szablonów.
Problem: Kształt lub rozmiar otworu nieprawidłowy (używany do nakładania pasty lutowej) prowadzi do:
Niespójna objętość lutowni (zbyt mało powoduje suche złącza; zbyt dużo powoduje powstawanie mostów).
Problemy z uwolnieniem pasty, zwłaszcza dla elementów o cienkim tonie, takich jak BGA o tonie 0,4 mm.
Wpływ: Wyniki badań przeprowadzonych w 2024 r. wśród producentów urządzeń elektronicznych wskazują, że w przypadku wszystkich awarii montażu SMT 35% spowodowane są wadami pasty lutowej.

4Brakujące lub niewłaściwie umieszczone papiery powiernicze
Problem: W przypadku systemów zautomatyzowanych kluczowe znaczenie mają wiarygodne małe znaki wyrównania.
Niewłaściwe ustawienie komponentów, szczególnie w przypadku urządzeń o cienkim rozmiarze (np. QFP o rozmiarze 0,5 mm).
Zwiększone wskaźniki złomu, ponieważ często nieprawidłowo wyrównane elementy nie mogą być przetworzone.
Przykład: Producent sprzętu telekomunikacyjnego zgłosił 12% wskaźnik złomu po pominięciu powierniczych na poziomie paneli, kosztując 42 000 USD w marnowanych materiałach w ciągu sześciu miesięcy.

5Nieodpowiednie zarządzanie cieplne
Problem: komponenty SMT (zwłaszcza układy integracyjne zasilania, diody LED i regulatory napięcia) wytwarzają znaczne ciepło.
przedwczesna awaria części (przekroczenie znamionowej temperatury roboczej).
Zmęczenie stawów lutowych, ponieważ powtarzające się cykle termiczne osłabiają połączenia.
Krytyczny statystyk: Wzrost temperatury roboczej o 10°C może zmniejszyć żywotność części o 50%, zgodnie z prawem Arrheniusa.

6Brak integralności sygnału
Problem: sygnały dużych prędkości (≥100 MHz) cierpią na:
Przesłuchanie pomiędzy śladami.
Niezgodności impedancji spowodowane niespójnymi szerokościami śladów lub przejściami warstw.
Utrata sygnału z powodu nadmiernego długości śladu lub złego uziemienia.
Wpływ: W urządzeniach 5G i IoT problemy te mogą obniżać szybkość transmisji danych o 30% lub więcej, co powoduje, że produkty nie są zgodne ze standardami branżowymi.

Rozwiązania problemów związanych z projektowaniem SMT
Rozwiązywanie tych problemów wymaga połączenia przestrzegania standardów, dyscypliny projektowania i współpracy z partnerami produkcyjnymi:
1. Optymalizacja odległości między komponentami
a.Przestrzeganie wytycznych IPC-2221:
Minimalna odległość między elementami biernimi (0402 ̇ 1206): 0,2 mm (8 mil).
Minimalna odległość między układami IC a pasywnymi: 0,3 mm (12 mil).
W przypadku BGA o cienkiej pasmowości (≤ 0,8 mm pasmo): Zwiększyć odległość do 0,4 mm (16 mil) w celu zapobiegania powstawaniu mostów lutowych.
b. Uważanie tolerancji maszyny: do obliczeń odległości dodać bufor o średnicy 0,1 mm, ponieważ maszyny do zbierania i umieszczania mają zazwyczaj dokładność pozycyjną ±0,05 mm.
c. Użyj kontroli zasad projektowania: skonfiguruj oprogramowanie do projektowania PCB (Altium, KiCad), aby w czasie rzeczywistym zaznaczać naruszenia odstępów, zapobiegając problemom przed produkcją.

2Standaryzacja podkładek IPC-7351
IPC-7351 definiuje trzy klasy konstrukcji podkładek, z których najczęściej stosowana jest klasa 2 (klasy przemysłowej).

a. Unikaj podkładek niestandardowych: podkładki ogólne zwiększają wskaźnik wad o 2 ‰ 3x w porównaniu z konstrukcjami zgodnymi z IPC.
b.Zgęste podkładki z cienką pasmową: w przypadku podkładek o masie powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni powierzchni

3. Optymalizacja otworów szablonów
Objętość pasty lutowej bezpośrednio wpływa na jakość stawów.

Użyj szkiców laserowo wyciętych: zapewniają one ściślejsze tolerancje (± 0,01 mm) niż szkice etyrowane chemicznie, kluczowe dla elementów o cienkim tonie.

4Wdrożyć skuteczne umowy powiernicze
a.Miejsce:
Dodać 3 powiernicze na PCB (jeden w każdym rogu, nieliniowe) do triangulacji.
Należy uwzględnić 2?? 3 powiernicze na poziomie paneli dla paneli z wieloma płytami PCB.
b.Projekt:
Średnica: 1,0 ̊1,5 mm (miedzi stałej, bez maski lutowej lub jedwabnicy).
Odległość: 0,5 mm od wszystkich innych elementów w celu uniknięcia zakłóceń odbicia.
c. Materiał: zamiast ENIG (błyskotliwy) użyć wykończeń HASL lub OSP (maty), ponieważ kamery AOI mają problemy z powierzchniami odbijającymi.

5Poprawa zarządzania cieplnym
a.Przewody termiczne: umieszczanie 4 ̇6 przewodu (0,3 mm średnicy) pod komponentami zasilania w celu przenoszenia ciepła do wewnętrznych płaszczyzn uziemienia.
b.Wagę miedzi:
1 oz (35 μm) dla projektów o niskiej mocy (< 1 W).
2 oz (70 μm) dla konstrukcji o średniej mocy (1 5 W).
4 oz (140 μm) dla konstrukcji o dużej mocy (> 5 W).
c. Podkładki termiczne: podłączyć wystawione podkładki termiczne (np. w QFN) do dużych obszarów miedzianych za pomocą wielu przewodów, aby zmniejszyć opór termiczny o 40~60%.

6. Poprawa integralności sygnału
a.Kontrolowana impedancja: do zaprojektowania śladów impedancji 50Ω (jednostronnej) lub 100Ω (diferencyjnej) za pomocą kalkulatorów PCB należy dostosować:
Szerokość śladu (0,2 ∼0,3 mm dla 50Ω w FR-4 o średnicy 1,6 mm).
grubość dielektryczna (odległość między płaszczyzną sygnału a płaszczyzną uziemienia).
b. Odległość między sygnałami: utrzymywanie odległości ≥3x szerokości śladu dla sygnałów ≥100 MHz w celu zminimalizowania przesłuchania krzyżowego.
c. Płaszczyzny gruntowe: stosować stałe płaszczyzny gruntowe sąsiadujące z warstwami sygnału w celu zapewnienia ścieżek powrotnych o niskiej impedancji i osłony przed EMI.

Podstawowe wymagania SMT dotyczące projektowania PCB
Spełnienie tych wymagań zapewnia zgodność z procesami produkcji SMT:
1Substrat PCB i grubość
a.Materiał: FR-4 o Tg ≥ 150°C dla większości zastosowań; FR-4 o wysokim Tg (Tg ≥ 170°C) do zastosowań motoryzacyjnych/przemysłowych (przetrwa temperaturę odtoku 260°C).
b.Gęstość: 0,8 ≈ 1,6 mm dla standardowych konstrukcji. Cienkie deski (< 0,6 mm) mogą wystąpić podczas ponownego przepływu.
c. Tolerancja obrazu: ≤ 0,75% (IPC-A-600 klasa 2) w celu zapewnienia prawidłowego kontaktu szablonów i umieszczenia części.

2Maska lutowa i jedwabnik.
a. Maska do lutowania: W celu zapobiegania problemom z przyczepieniem należy stosować maskę z płynnym materiałem fotograficznym (LPI) o odległości 0,05 mm od podkładek.
b. Silkscreen: Trzymaj tekst i symbole 0,1 mm od podkładek, aby uniknąć zanieczyszczenia lutowaniem. Używaj białego atramentu dla najlepszej widoczności AOI.

3. Wybór wykończenia powierzchni

4. Panelizacja Najlepsze praktyki
a.Wielkość panelu: W celu maksymalizacji wydajności maszyny SMT należy stosować standardowe rozmiary (np. 18×24×).
b.Płyty odrywające: połączyć płytę PCB z płytami o szerokości 2 ′′ 3 ′′ (2 ′′ 3 mm) dla zapewnienia stabilności; użyć punktów V (30 ′′ 50% głębokości) dla łatwego rozkładania.
c. Otwory narzędziowe: Dodaj 4 ̇6 otworów (3,175 mm średnicy) w narożnikach paneli do ustawienia maszyny.

Rola DFM w sukcesie SMT
Badania w zakresie projektowania i produkcji (DFM) – najlepiej przeprowadzane z producentem płyt PCB – identyfikują problemy przed produkcją.
a.Walidacja śladu składowego w stosunku do IPC-7351.
b.Symulacja objętości pasty lutowej dla elementów o cienkiej pasmowości.
c. Kompatybilność profilu termicznego z materiałami PCB.
d. Dostępność punktu badawczego (0,8−1,2 mm średnicy, ≥ 0,5 mm w zależności od części).

Częste pytania
P: Jaki jest najmniejszy rozmiar części wymagający specjalnych rozważań projektowych SMT?
Odpowiedź: 0201 elementów (0,6 mm x 0,3 mm) wymagają ścisłej odległości (≥ 0,15 mm) i precyzyjnych wymiarów podkładek, aby uniknąć układania kamieni.

P: Czy mogę użyć lutownicy ołowianej do uproszczenia projektu SMT?
Odpowiedź: Lutowanie bez ołowiu (np. SAC305) jest wymagane przez RoHS na większości rynków, ale lutowanie ołowiane (Sn63/Pb37) ma niższą temperaturę powrotnego przepływu (183°C w porównaniu z 217°C).Nie eliminuje problemów projektowych, takich jak mosty..

P: Jak zapobiegać powstawaniu kul lutowych podczas montażu SMT?
Odpowiedź: Użyj odpowiednich otworów szablonów (80-90% szerokości podkładki), upewnij się, że powierzchnia PCB jest czysta i kontroluj temperaturę powrotnego przepływu, aby uniknąć rozpylania pasty.

P: Jaka jest maksymalna wysokość części do montażu SMT?
Odpowiedź: Większość maszyn do zbierania i umieszczania obsługuje elementy o wysokości do 6 mm; wyższe części wymagają specjalnego narzędzia lub ręcznego umieszczenia.

P: Ile punktów badawczych potrzebuję dla PCB SMT?
A: Należy dążyć do uzyskania 1 punktu badawczego na 10 elementów, przy co najmniej 10% zasięgu sieci krytycznych (silnik, naziemne sygnały, sygnały dużych prędkości).

Wniosek
Projekt SMT PCB wymaga równowagi między wydajnością elektryczną a możliwością produkcji.), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ), ),, zmniejszyć koszty i przyspieszyć czas wprowadzania na rynek.
Pamiętaj: współpraca z partnerem produkcyjnym jest kluczowa, ponieważ jego doświadczenie w procesach SMT może dostarczyć cennych informacji, które przekształcą dobry projekt w świetny.
Kluczowe wnioski: Inwestowanie czasu w prawidłowy projekt SMT z góry zmniejsza ponowne prace, poprawia niezawodność i zapewnia, że PCB działają zgodnie z przeznaczeniem w terenie.