ความท้าทายในการออกแบบ PCB ใน SMT: ปัญหาทั่วไป, การแก้ไขที่พิสูจน์และความต้องการสําคัญ

เทคโนโลยีที่ติดอยู่บนพื้นผิว (SMT) กลายเป็นกระดูกสันหลังของการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย ทําให้อุปกรณ์ที่คอมแพคต์และมีประสิทธิภาพสูง สามารถให้พลังงานทุกสิ่งทุกอย่าง ตั้งแต่สมาร์ทโฟนถึงหุ่นยนต์อุตสาหกรรมอย่างไรก็ตามการเปลี่ยนจากส่วนประกอบที่ผ่านรูไปยังส่วนประกอบที่ติดตั้งบนพื้นผิว นํามาซึ่งปัญหาการออกแบบที่พิเศษ แม้กระทั่งความผิดพลาดเล็ก ๆ น้อย ๆ ก็สามารถนําไปสู่ความล้มเหลวในการประกอบสัญญาณหรือการปรับปรุงที่แพง

คู่มือนี้สํารวจปัญหาการออกแบบ PCB ที่แพร่หลายที่สุดในการผลิต SMT, ให้คําตอบที่สามารถปฏิบัติได้ที่สนับสนุนโดยมาตรฐานของอุตสาหกรรม, และบรรยายความต้องการหลักสําหรับการผลิตที่ไม่มีรอย.ไม่ว่าคุณจะออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค, ระบบรถยนต์ หรืออุปกรณ์การแพทย์ การเรียนรู้หลักการเหล่านี้ จะทําให้ PCB ของคุณสามารถตอบสนองเป้าหมายการทํางานได้

ประเด็นสําคัญของการออกแบบ SMT และผลกระทบของมัน
ความแม่นยําของ SMT ต้องการการออกแบบอย่างละเอียด
1. การเคลียร์ส่วนประกอบที่ไม่เพียงพอ
ปัญหา: ส่วนประกอบที่วางอยู่ใกล้กันเกินไป สร้างความเสี่ยงหลายอย่าง
สายเชื่อมระหว่างพัดที่อยู่ใกล้เคียงกัน ส่งผลให้มีการตัดสายสั้น
การแทรกแซงระหว่างการประกอบอัตโนมัติ (เครื่องเก็บและวางอาจชนกับชิ้นส่วนใกล้เคียง)
ความยากลําบากในการตรวจสอบและการปรับปรุงหลังการประกอบ (ระบบ AOI พยายามที่จะถ่ายภาพช่องว่างที่แน่น)
จุดข้อมูล: จากการศึกษาของ IPC พบว่า 28% ของความบกพร่องในการประกอบ SMT เกิดจากความห่างของส่วนประกอบที่ไม่เพียงพอ ค่าผู้ผลิตโดยเฉลี่ย 0.75 ดอลลาร์ต่อหน่วยที่บกพร่องในการปรับปรุง

2. ขนาดแพดที่ผิด
ปัญหา: พัดที่เล็กเกินไป หรือใหญ่เกินไป หรือไม่ตรงกับสายไฟส่วนประกอบ ส่งผลให้:
Tombstoning: องค์ประกอบเล็ก ๆ (ตัวอย่างเช่น 0402 resistors) ยกออกจากแผ่นหนึ่งเนื่องจากการหดผสมที่ไม่เท่าเทียมกัน
การเชื่อมต่อ Solder ที่ไม่เพียงพอ: การเชื่อมต่อที่อ่อนแอที่มีความเสี่ยงที่จะล้มเหลวภายใต้ความเครียดทางอุณหภูมิหรือทางกล
สะพายเหล็กเกิน: ลูกเหล็กหรือสะพายเหล็กที่ทําให้เกิดไฟฟ้าสั้น
สาเหตุหลัก: การพึ่งพาห้องสมุดแพดที่หมดอายุหรือทั่วไป แทนมาตรฐาน IPC-7351 ซึ่งกําหนดขนาดแพดที่ดีที่สุดสําหรับแต่ละชนิดขององค์ประกอบ

3การออกแบบสแตนสิลที่ไม่ดี
ปัญหา: สเตนซิล (ใช้ในการใช้พาสต์ผสม) ที่มีขนาดหรือรูปร่างช่องว่างที่ไม่ถูกต้อง นําไปสู่:
ปริมาตรของผสมผสมที่ไม่สอดคล้อง (น้อยเกินไปทําให้ผ่าแห้ง; มากเกินไปทําให้สะพาน)
ปัญหาการปล่อยพีสต์ โดยเฉพาะส่วนประกอบที่มีความละเอียด เช่น BGA ที่มีความละเอียด 0.4 มิลลิเมตร
ผลลัพธ์: ความบกพร่องของพาสต์ผสมเหล็กเป็นสาเหตุของ 35% ของความล้มเหลวในการประกอบ SMT ทั้งหมด ตามการสํารวจปี 2024 ของผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

4หลักทรัพย์ที่หายไปหรือผิดที่ตั้ง
ปัญหา: เครื่องหมายที่เชื่อถือได้ หลักฐานการสอดคล้องขนาดเล็ก เป็นสิ่งสําคัญสําหรับระบบอัตโนมัติ
ความผิดสอดคล้องขององค์ประกอบ โดยเฉพาะสําหรับอุปกรณ์ที่มีความละเอียด (เช่น QFPs ที่มีความละเอียด 0.5mm)
เพิ่มอัตราการใช้สกร็อป เนื่องจากส่วนประกอบที่ไม่ตรงกันบ่อยครั้งไม่สามารถทํางานใหม่ได้
ตัวอย่าง: ผู้ผลิตอุปกรณ์โทรคมนาคมรายงานอัตราการใช้งานเสีย 12% หลังจากที่ละทิ้งการใช้งานในระดับแพนล, ราคา 42,000 ดอลลาร์ในวัสดุที่เสียไปในช่วงหกเดือน

5การจัดการความร้อนที่ไม่เหมาะสม
ปัญหา: องค์ประกอบ SMT (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Power ICs, LEDs และตัวควบคุมความแรง) สร้างความร้อนที่สําคัญ การออกแบบความร้อนที่ไม่ดี นําไปสู่:
ความผิดปกติของส่วนประกอบก่อนเวลา (เกินอุณหภูมิการทํางานตามชื่อ)
อ่อนเพลียต่อเนื่องจากการหมุนเวียนความร้อนซ้ําๆ ทําให้เชื่อมต่ออ่อนแอ
สถิติสําคัญ: การเพิ่มอุณหภูมิการทํางาน 10 องศาเซลเซียส สามารถลดอายุการใช้งานของส่วนประกอบได้ 50% ตามกฎ Arrhenius

6ความผิดพลาดของสัญญาณ
ปัญหา: สัญญาณความเร็วสูง (≥ 100MHz) มีปัญหาจาก:
เสียงข้ามระหว่างรอยที่อยู่ห่างกันใกล้ๆ
ความไม่เหมาะสมของอัมพาตที่เกิดจากความกว้างของร่องรอยที่ไม่สอดคล้อง หรือการเปลี่ยนชั้น
การสูญเสียสัญญาณเนื่องจากความยาวของเส้นทางที่มากเกินไป หรือการติดพื้นที่ที่ไม่ดี
ผลกระทบ: ในอุปกรณ์ 5G และ IoT ปัญหาเหล่านี้สามารถทําให้อัตราการส่งข้อมูลลดลงถึง 30% หรือมากกว่า ทําให้สินค้าไม่ตรงกับมาตรฐานของอุตสาหกรรม

การแก้ไขปัญหาด้านการออกแบบ SMT
การแก้ไขปัญหาเหล่านี้ต้องการการผสมผสานการปฏิบัติตามมาตรฐาน วินัยการออกแบบ และการร่วมมือกับพันธมิตรการผลิต:
1. ปรับปรุงระยะส่วนประกอบ
a.ปฏิบัติตามแนวทาง IPC-2221:
ระยะทางขั้นต่ําระหว่างส่วนประกอบที่ปนเปื้อน (0402?? 1206): 0.2 มิลลิเมตร (8 มิล)
ระยะทางขั้นต่ําระหว่าง IC และ passive: 0.3mm (12mil)
สําหรับ BGA ที่มีความละเอียดดี (ความละเอียด ≤ 0.8 mm): เพิ่มระยะห่างเป็น 0.4 mm (16 mil) เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อของเครื่องเชื่อม
b. การคํานวณความละเอียดของเครื่อง: เพิ่มพัฟเฟอร์ 0.1 มิลลิเมตรในการคํานวณระยะห่าง เนื่องจากเครื่องรับและวางโดยทั่วไปมีความแม่นยําตําแหน่ง ± 0.05 มิลลิเมตร
c. ใช้การตรวจสอบกฎการออกแบบ: ปรับปรุงโปรแกรมการออกแบบ PCB ของคุณ (Altium, KiCad) เพื่อระบุการละเมิดระยะในเวลาจริง, ป้องกันปัญหาก่อนการผลิต

2. พัดมาตรฐานกับ IPC-7351
IPC-7351 กําหนดการออกแบบแผ่น 3 หมวด โดยมีหมวด 2 (เกรดอุตสาหกรรม) เป็นที่ใช้กันมากที่สุด ตัวอย่างสําคัญ:

a.หลีกเลี่ยงพัด Custom: พัดทั่วไปเพิ่มอัตราความบกพร่อง 2 ٪ 3 เท่าเมื่อเทียบกับการออกแบบที่สอดคล้องกับ IPC
b. กระดานกระดานกระดานดี: สําหรับ QFP ที่มีความกว้าง ≤ 0.5 มิลลิเมตร, กระดานกระดานกระดานจะสิ้นสุดถึง 70% ของความกว้างของพวกเขาเพื่อลดความเสี่ยงของการสะพานระหว่างการไหลกลับ

3. ปรับปรุงช่องว่าง Stencil
ขนาดของผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสาน

ใช้สเตนซิลตัดเลเซอร์: มันให้ความอดทนที่แน่นกว่า (± 0.01 มม.) กว่าสเตนซิลที่ถูกหักด้วยสารเคมี ซึ่งเป็นสิ่งสําคัญสําหรับองค์ประกอบที่มีความละเอียดดี

4. ปรับปรุงการเชื่อถือที่มีประสิทธิภาพ
a.ที่ตั้ง:
เพิ่ม 3 หลักฐานต่อ PCB (หนึ่งในแต่ละมุม, ไม่เป็นเส้น) สําหรับการสามเหลี่ยม
รวม 2?? 3 ระดับแผ่นความมั่นใจสําหรับแผ่นหลาย PCB
b.การออกแบบ:
กว้าง: 1.0×1.5mm (ทองแดงแข็ง ไม่มีหน้ากากผสมหรือผ้าไหม)
ระยะห่าง: 0.5mm จากส่วนอื่น ๆ เพื่อหลีกเลี่ยงการขัดแย้งการสะท้อน
c. วัสดุ: ใช้ HASL หรือ OSP ปลาย (แมท) แทน ENIG (กระจ่าง) เนื่องจากกล้อง AOI มีปัญหากับพื้นผิวที่สะท้อนแสง

5ปรับปรุงการจัดการความร้อน
a. Vias หนาว: วาง 4 ช่องทาง 6 ช่องทาง (0.3 มม กว้าง) ภายใต้ส่วนประกอบพลังงานเพื่อส่งความร้อนไปยังระดับพื้นภายใน. สําหรับอุปกรณ์ที่มีพลังงานสูง (> 5W) ใช้ช่องทาง 0.4 มม.
b.น้ําหนักทองแดง:
1 oz (35μm) สําหรับการออกแบบพลังงานต่ํา (< 1W)
2 oz (70μm) สําหรับการออกแบบพลังงานกลาง (1 ′′ 5W)
4oz (140μm) สําหรับการออกแบบพลังงานสูง (> 5W)
c. Thermal Pads: เชื่อมแพดความร้อนที่เปิดเผย (เช่นใน QFNs) กับพื้นที่ทองแดงขนาดใหญ่ โดยใช้ช่องทางหลายช่อง เพื่อลดความต้านทานความร้อนถึง 40~60%

6. ปรับปรุงความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ
a. การควบคุมความคัดกรอง: ใช้เครื่องคิดเลข PCB เพื่อออกแบบรอยสําหรับความคัดกรอง 50Ω (แบบเดียว) หรือ 100Ω (แบบแตกต่าง) โดยการปรับ:
ความกว้างของร่องรอย (0.2 ∼ 0.3 มม. สําหรับ 50Ω ใน FR-4 ขนาด 1.6 มม.)
ความหนาของไฟฟ้า (ระยะห่างระหว่างสัญญาณและพื้นที่)
b.Trace Spacing: รักษาระยะห่าง ≥3x ความกว้างของร่องรอยสําหรับสัญญาณ ≥100MHz เพื่อลดการกระแทกกระแทกให้น้อยที่สุด
c. ระดับพื้นที่: ใช้ระดับพื้นที่แข็งติดกับชั้นสัญญาณ เพื่อให้มีเส้นทางการกลับที่มีความกัดต่ําและป้องกันจาก EMI

ความต้องการ SMT สําคัญสําหรับการออกแบบ PCB
การตอบสนองความต้องการเหล่านี้จะทําให้ความเหมาะสมกับกระบวนการผลิต SMT:
1. พีซีบี สับสราทและความหนา
a.วัสดุ: FR-4 ที่มี Tg ≥ 150 °C สําหรับการใช้งานส่วนใหญ่; FR-4 Tg สูง (Tg ≥ 170 °C) สําหรับการใช้ในอุตสาหกรรมรถยนต์ (ทนอุณหภูมิการไหลกลับ 260 °C)
b.ความหนา: 0.8 ~ 1.6 มิลลิเมตรสําหรับการออกแบบมาตรฐาน บอร์ดบางกว่า (< 0.6 มิลลิเมตร) ความเสี่ยงการบิดระหว่างการไหลกลับ
c.ความอดทนการบด: ≤0.75% (IPC-A-600 ประเภท 2) เพื่อรับรองการสัมผัส stencil และการวางส่วนประกอบที่เหมาะสม

2. หน้ากากผสมและผ้าไหม
a.หน้ากากผสมเหล็ก: ใช้หน้ากากผสมเหลวที่สามารถถ่ายภาพได้ (LPI) โดยมีระยะห่างจากพัด 0.05 มิลลิเมตร เพื่อป้องกันปัญหาการติดต่อ
b.ผ้าไหม: ให้เก็บข้อความและสัญลักษณ์ห่างจากพัด 0.1 มิลลิเมตร เพื่อหลีกเลี่ยงการติดเชื้อด้วยผสมผสม ใช้หมึกสีขาวเพื่อความเห็น AOI ที่ดีที่สุด

3. การเลือกการทําปลายผิว

4. การจัดกลุ่มปฏิบัติที่ดีที่สุด
a. ขนาดแผ่น: ใช้ขนาดมาตรฐาน (เช่น 18?? x 24??) เพื่อให้มีประสิทธิภาพเครื่อง SMT มากที่สุด
b.Tabs Breakaway: เชื่อม PCBs กับ 2 ′′ 3 tabs (2 ′′ 3 มมกว้าง) เพื่อความมั่นคง; ใช้ V-scores (30 ′′ 50% ความลึก) เพื่อการกําหนดความง่าย.
ช่องเครื่องมือ: เพิ่มช่อง 4 ช่อง 6 (3.175 มม กว้าง) ในมุมแผ่นสําหรับการจัดลําดับเครื่อง

บทบาทของ DFM ในการประสบความสําเร็จ SMT
การตรวจสอบการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM)
a.การรับรองผลลัพธ์ขององค์ประกอบกับ IPC-7351
b. การจําลองปริมาณพลาสต์ solder สําหรับองค์ประกอบที่มีความละเอียด
c. ความเหมาะสมของโปรไฟล์ความร้อนกับวัสดุ PCB
d.ความสะดวกในการเข้าถึงจุดทดสอบ (0.8~1.2mm กว้าง ≥ 0.5mm จากส่วนประกอบ)

FAQ
Q: ขนาดส่วนประกอบที่เล็กที่สุดที่ต้องการการพิจารณาการออกแบบ SMT โดยเฉพาะคืออะไร?
A: 0201 ส่วนประกอบ (0.6 มม x 0.3 มม) ต้องการระยะห่างที่เข้มงวด (≥ 0.15 มม) และขนาดพัดที่แม่นยําเพื่อหลีกเลี่ยงการวางหินฝังศพ

Q: ฉันสามารถใช้ solder ที่นําไปเพื่อทําให้การออกแบบ SMT ง่ายขึ้นได้หรือไม่?
ตอบ: สายผสมไร้หมู (ตัวอย่างเช่น SAC305) ต้องการโดย RoHS ในตลาดส่วนใหญ่ แต่สายผสมที่มีหมู (Sn63/Pb37) มีอุณหภูมิการไหลกลับที่ต่ํากว่า (183 °C vs 217 °C) อย่างไรก็ตามมันไม่ได้กําจัดปัญหาด้านการออกแบบ เช่น การสร้างสะพาน.

Q: วิธีการป้องกันลูกผสมในการประกอบ SMT?
ตอบ: ใช้ช่องเปิดสแตนสิลที่เหมาะสม (80~90% ของความกว้างของพัด) ให้พื้นผิว PCB สะอาด และควบคุมอุณหภูมิการไหลกลับเพื่อหลีกเลี่ยงการกระจายแป้ง

Q: ความสูงส่วนประกอบสูงสุดสําหรับการประกอบ SMT คืออะไร?
ตอบ: เครื่องชักและวางส่วนใหญ่จะจัดการส่วนประกอบสูงถึง 6 มิลลิเมตร ส่วนส่วนที่สูงกว่าต้องการเครื่องมือพิเศษหรือการวางมือ

Q: ผมต้องการจุดทดสอบกี่จุดสําหรับ PCB SMT?
A: ตั้งเป้าให้มีจุดทดสอบ 1 ต่อ 10 องค์ประกอบ โดยครอบคลุมเครือข่ายสําคัญอย่างน้อย 10% (สัญญาณพลังงาน, แผ่นดิน, ความเร็วสูง)

สรุป
การออกแบบ PCB SMT ต้องการความสมดุลของผลงานไฟฟ้าและการผลิตและการจัดการความร้อน และการปฏิบัติตามมาตรฐานของอุตสาหกรรม, ลดต้นทุน และเร่งเวลาในการตลาด
จําไว้: การร่วมมือกับคู่มือการผลิตของคุณเป็นสิ่งสําคัญ ความเชี่ยวชาญของพวกเขาในกระบวนการ SMT สามารถให้ความรู้ที่คุ้มค่าที่เปลี่ยนการออกแบบที่ดีเป็นที่ดี
ข้อมูลสําคัญ: การลงทุนเวลาในการออกแบบ SMT ที่เหมาะสมก่อนจะลดการทํางานใหม่, ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ และรับประกันว่า PCB ของคุณทํางานตามที่ตั้งใจในสนาม