ปัญหาการออกแบบ PCB, วิธีแก้ไข, และข้อกำหนด SMT ที่จำเป็น

เทคโนโลยีการติดตั้งพื้นผิว (SMT) ได้ปฏิวัติการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทําให้อุปกรณ์เล็กๆ เร็วขึ้น และมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นความแม่นยําของ SMT มีความต้องการในการออกแบบที่เข้มงวด แม้แต่การละเมิดเล็ก ๆ น้อย ๆ ก็สามารถนําไปสู่ความบกพร่องในการประกอบจากการวางส่วนประกอบไปยังการใช้พาสต์ผสมผสมทุกด้านของการออกแบบ PCB ต้องสอดคล้องกับสมรรถนะ SMT เพื่อให้การผลิตที่เรียบร้อยและการทํางานที่ดีที่สุด.

คู่มือนี้ระบุปัญหาการออกแบบ PCB ที่ทั่วไปในการผลิต SMT, ให้คําตอบที่สามารถปฏิบัติได้ และอธิบายความต้องการ SMT ที่สําคัญระบบรถยนต์หรืออุปกรณ์อุตสาหกรรม การเข้าใจหลักการเหล่านี้จะลดการทํางานใหม่ ลดต้นทุน และปรับปรุงคุณภาพสินค้า

ประเด็นการออกแบบ PCB ใน SMT Manufacturing
แม้แต่นักออกแบบที่มีประสบการณ์ก็เผชิญกับความท้าทายในการปรับปรุง PCB สําหรับ SMT ด้านล่างนี้คือปัญหาที่บ่อยที่สุดและสาเหตุรากของมัน:
1. ระยะระยะส่วนประกอบที่ไม่เหมาะสม
ปัญหา: ส่วนประกอบที่วางใกล้กันเกินไป (ต่ํากว่า 0.2 มิลลิเมตรระหว่างขอบ) ส่งผลให้:
a. การเชื่อมต่อของท่อเหล็กระหว่างการไหลกลับ (วงจรสั้น)
b. ความยากลําบากในการตรวจสอบอัตโนมัติ (เครื่อง AOI ไม่สามารถแก้ไขช่องว่างที่แคบ)
c. ความเสียหายระหว่างการปรับปรุง (การผสมของส่วนหนึ่งเสี่ยงที่จะทําให้ส่วนที่อยู่ใกล้เคียงร้อน)
สาเหตุหลัก: การมองข้ามความอดทนของเครื่อง SMT (โดยทั่วไป ± 0.05 มมสําหรับระบบ Pick-and-place) หรือให้ความสําคัญกับการลดขนาดมากกว่าการผลิต

2ดีไซน์แพดที่ไม่ดี
ปัญหา: ขนาดหรือรูปร่างของพัดที่ไม่ถูกต้อง นําไปสู่:
a. สายเชื่อมเหล็กที่ไม่เพียงพอ (สายเชื่อมเหล็กที่ขาดอาหาร) หรือสายเชื่อมเหล็กที่มากเกินไป (ลูกเชื่อมเหล็ก)
b.การบดหินศพ (ส่วนประกอบเล็ก ๆ เช่น ตัวต่อต้าน 0402 ยกออกจากแผ่นหนึ่งเนื่องจากการไหลของเหล็กผสมที่ไม่เท่าเทียมกัน)
c. ความสามารถในการนําไฟได้ลดลง (สําคัญสําหรับองค์ประกอบพลังงาน เช่น MOSFETs)
สาเหตุหลัก: การใช้แบบพัดแบบทั่วไปแทนมาตรฐาน IPC-7351 ซึ่งกําหนดขนาดพัดที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับขนาดและประเภทของส่วนประกอบ

3ช่องเปิดสแตนสิลที่ไม่ตรงกัน
ปัญหา: ขนาดช่องเปิด stencil ที่ไม่ตรงกัน (ใช้ในการใช้แป้งผสม) ส่งผลให้:
a. ความผิดพลาดในปริมาณผสมผสมผสม (น้อยเกินไปทําให้ผ่าแห้ง; มากเกินไปทําให้สะพาน)
b. การปล่อยพีสเตอร์ที่ไม่ดี (การบดสเตนซิลสําหรับส่วนประกอบที่มีความละเอียด เช่น BGA 0.4 มม.)
สาเหตุหลัก: ไม่สามารถปรับช่องเปิดสเตนซิลให้เหมาะกับประเภทของส่วนประกอบ (เช่น การใช้สัดส่วนช่องเปิดเดียวกันสําหรับตัวต่อต้านและ BGA)

4สัญลักษณ์ที่ไม่เหมาะสม
ปัญหา: การขาดทุนหรือการวางทุนที่ไม่ดี (เครื่องหมายการสอดคล้อง) ส่งผลให้:
a. ความผิดสอดคล้องของส่วนประกอบ (โดยเฉพาะสําหรับส่วนที่มีความละเอียด เช่น QFP ที่มีความละเอียด 0.5mm)
b.อัตราการใช้เศษขยะเพิ่มขึ้น (สูงถึง 15% ในการผลิตปริมาณสูง ตามข้อมูลของอุตสาหกรรม)
สาเหตุหลัก: การประเมินต่ําความสําคัญของตัวเชื่อถือในระบบอัตโนมัติ ซึ่งพึ่งพากันเพื่อชดเชยการบิด PCB หรือการไม่ตรงกันของแผ่น

5. การจัดการความร้อน
ปัญหา: การละเว้นการระบายความร้อนในการออกแบบ SMT ส่งผลให้
ความอ่อนเพลียของข้อผสมผสม (ส่วนประกอบที่มีอุณหภูมิสูง เช่น เครื่องปรับความแรงเครียด ทําให้ผสมผสมผสมเสื่อมลงตามเวลา)
ความผิดปกติของส่วนประกอบ (เกินอุณหภูมิการทํางานที่กําหนดสําหรับ IC)
สาเหตุหลัก: ไม่รวมช่องทางความร้อนภายใต้ส่วนประกอบพลังงานหรือใช้น้ําหนักทองแดงที่ไม่เพียงพอ (น้อยกว่า 2 oz) ในระนาบพลังงาน

6ความผิดพลาดของสัญญาณ
ปัญหา: สัญญาณความเร็วสูง (≥ 100MHz) มีปัญหาจาก:
a. การสื่อข้ามระหว่างรอยที่อยู่ใกล้เคียงกัน (ระยะห่างไม่เกิน 3x ความกว้างของรอย)
b. ความไม่เหมาะสมของอัดอัด (ความกว้างของรอยหรือความหนาของแบบดียิเลคทริกที่ไม่ตรงกัน)
สาเหตุหลัก: การปฏิบัติกับ SMT PCBs เป็นการออกแบบความถี่ต่ํา โดยที่ความสมบูรณ์แบบของสัญญาณเป็นเรื่องที่ต้องคิดภายหลัง แทนที่จะเป็นความสําคัญในการออกแบบ

การแก้ไขปัญหาสําคัญของการออกแบบ SMT
การ แก้ไข ปัญหา เหล่า นี้ จําเป็น ต้อง มี การ รวม กลุ่ม วินัย การ ออกแบบ การ เชื่อมโยง กับ มาตรฐาน และ การ ร่วมมือ กับ ผู้ ผลิต
1. ปรับปรุงระยะส่วนประกอบ
a.ปฏิบัติตามแนวทาง IPC-2221: รักษาระยะห่างอย่างน้อย 0.2 มิลลิเมตรระหว่างองค์ประกอบที่ไม่ทํางาน (0402 และใหญ่กว่า) และ 0.3 มิลลิเมตรระหว่างองค์ประกอบที่ทํางาน (เช่น ICs) สําหรับ BGA ที่มีเสียงละเอียด (≤ 0.8 มิลลิเมตร)เพิ่มระยะห่างเป็น 0.4 มิลลิเมตร เพื่อหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อ
b. Account for Machine Tolerances: เพิ่มพัฟเฟอร์ 0.1 มิลลิเมตรในการคํานวณระยะห่าง เพื่อรองรับความผิดพลาดของเครื่องในการเลือกและวาง
c. ใช้กฎการออกแบบ: ปรับปรุงโปรแกรมการออกแบบ PCB (Altium, KiCad) เพื่อระบุการละเมิดระยะห่างในเวลาจริง

2. การจัดมาตรฐานการออกแบบ Pad ด้วย IPC-7351
IPC-7351 กําหนดสามประเภทของพัด (ประเภทที่ 1: ผู้บริโภค; ประเภทที่ 2: อุตสาหกรรม; ประเภทที่ 3: ท้องอากาศ / การแพทย์) ด้วยขนาดแม่นยํา เช่น:

a.หลีกเลี่ยงพัดแบบกําหนดเอง: พัดแบบทั่วไป หน่วยเดียวเหมาะกับทุกคน เพิ่มอัตราความบกพร่องขึ้น 20-30%
b. แพ๊ดคอนเปอร์สําหรับ IC ขนาดละเอียด: สําหรับ QFP ที่มีความกว้าง ≤ 0.5 mm, แพ๊ดคอนเปอร์จะจบถึง 70% ของความกว้าง เพื่อลดความเสี่ยงของการสะกด.

3. ปรับปรุงช่องว่าง Stencil
ขนาดช่องเปิดของสเตนซิลมีผลต่อปริมาณของพาสต์ผสมโดยตรง ใช้กฎเหล่านี้
a.ส่วนประกอบที่ไม่ใช้งาน (0402?? 1206): ช่องเปิด = 80?? 90% ของความกว้างของพัด (ตัวอย่างเช่น ความกว้างของพัด 0402 0.30 mm → ช่องเปิด 0.24?? 0.27 mm)
b.BGAs (0.8mm pitch): กว้างช่อง = 60 ٪ 70% ของกว้างแพด (ตัวอย่างเช่น แพด 0.45 มม. → 0.27 ٪ 0.31 มม.
c.QFNs: ใช้ช่องเปิด ผูกหมา เพื่อป้องกันการผสมผสานที่ลื่นลงภายใต้ส่วนประกอบ
d.ความหนาของสเตนซิล: 0.12 มม. สําหรับส่วนประกอบส่วนใหญ่; 0.08 มม. สําหรับส่วนที่มีความละเอียด (≤ 0.5 มม.) เพื่อลดปริมาณแป้ง

4. ใช้เครื่องหมายความมั่นใจที่มีประสิทธิภาพ
a.การวาง: เพิ่ม 3 หลักฐานต่อ PCB (หนึ่งในแต่ละมุม, ตารางเส้น) สําหรับการสามเหลี่ยมที่ดีที่สุด สําหรับแผ่น เพิ่ม 2 หลักฐานระดับแผ่น
b. การออกแบบ: ใช้วงกลมทองแดงแข็งขนาด 1.0~1.5 มิลลิเมตร โดยมีระยะว่าง 0.5 มิลลิเมตร (ไม่มีหน้ากากผสมหรือผ้าไหม) เพื่อให้แน่ใจว่ามีความเห็น
c. วัสดุ: หลีกเลี่ยงการเสร็จที่สะท้อนแสง (เช่น ENIG) บนเครื่องถ่ายที่เชื่อถือได้ เนื่องจากมันอาจทําให้กล้อง AOI สับสน; HASL หรือ OSP เป็นสิ่งที่ควรเลือก

5ปรับปรุงการจัดการความร้อน
a.ช่องทางความร้อน: วางช่องทาง 4 ช่องทาง 6 ช่อง (0.3 มม กว้าง) ใต้ส่วนประกอบพลังงาน (เช่น เครื่องควบคุมความดันไฟฟ้า, ไฟ LED) เพื่อส่งความร้อนไปยังระดับพื้นภายใน
b.น้ําหนักทองแดง: ใช้ทองแดง 2 oz (70μm) ในระดับพลังงานสําหรับองค์ประกอบที่ระบาย > 1W; 4 oz (140μm) สําหรับ > 5W
c. Thermal Pads: เชื่อมต่อพัด Thermal Pads ที่เปิดเผย (เช่นใน QFNs) กับพื้นที่ทองแดงขนาดใหญ่ผ่านหลายช่องทางเพื่อลดความต้านทานทางความร้อนจากจุดเชื่อมต่อกับสภาพแวดล้อมถึง 40~60%

6. ปรับปรุงความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ
a. การควบคุมความคัดค้าน: การออกแบบรอย 50Ω (ปลายเดียว) หรือ 100Ω (ความแตกต่าง) โดยใช้เครื่องคํานวณ (เช่น Saturn PCB Toolkit) เพื่อปรับความกว้างของรอยและความหนาของไฟฟ้า
b.Trace Spacing: รักษาระยะห่าง ≥3x ความกว้างของร่องรอยสําหรับสัญญาณความเร็วสูง (≥ 100MHz) เพื่อลดการกระแทกเสียงข้ามสาย
c. ระดับพื้นที่: ใช้ระดับพื้นที่แข็งติดกับชั้นสัญญาณ เพื่อให้มีเส้นทางกลับและป้องกัน EMI

ความต้องการ SMT สําคัญสําหรับการออกแบบ PCB
การตอบสนองความต้องการเหล่านี้จะทําให้ความเหมาะสมกับกระบวนการผลิตและอุปกรณ์ SMT:
1วัสดุ PCB และความหนา
a. Substrate: ใช้ FR-4 ด้วย Tg ≥ 150 °C สําหรับการใช้งานส่วนใหญ่; FR-4 Tg สูง (Tg ≥ 170 °C) สําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมรถยนต์ (ทนอุณหภูมิการไหลกลับถึง 260 °C)
b.ความหนา: 0.8 ~ 1.6mm สําหรับ PCB แบบธรรมดา; หลีกเลี่ยง < 0.6mm เว้นแต่จําเป็น (คล่องตัวต่อการบิดระหว่างการไหลกลับ)
c.ความอดทนการบด: ≤0.75% (IPC-A-600 ประเภท 2) เพื่อรับรองการสัมผัส stencil และการวางส่วนประกอบที่เหมาะสม

2. หน้ากากผสมและผ้าไหม
a. หน้ากากผสมผสม: ใช้หน้ากากผสมผสมผสมผสมเหลว (LPI) ที่สามารถถ่ายภาพได้ โดยมีระยะห่างจากพัด 0.05 มม. เพื่อป้องกันปัญหาการติดผสมของหน้ากากผสมผสมผสม
b.ผ้าไหม: วางผ้าไหมห่างจากพัด 0.1 มิลลิเมตร เพื่อหลีกเลี่ยงการติดเชื้อระหว่างการผสม ใช้หมึกสีขาวหรือสีดํา (ความแตกต่างสูงที่สุดสําหรับ AOI)

3. ปลายพื้นผิว
เลือกการปิดตามการใช้งาน:

4. การปรับแผ่น
a.ขนาดแผ่น: ใช้ขนาดแผ่นมาตรฐาน (เช่น 18 ′′ x 24 ′′) เพื่อให้มีประสิทธิภาพเครื่อง SMT มากที่สุด
b.Tabs Breakaway: เชื่อม PCBs กับ 2 ′′ 3 tabs (2 ′′ 3 มมกว้าง) เพื่อให้มั่นคงระหว่างการจัดการ; ใช้ V-scores (30 ′′ 50% ความลึก) สําหรับการจัดการง่าย
ช่องเครื่องมือ: เพิ่มช่องเครื่องมือ 4 ช่อง 6 ช่อง (3.175 มม กว้าง) ในมุมของแผ่นสําหรับการจัดอันดับในเครื่อง SMT

การตรวจสอบการออกแบบเพื่อผลิต (DFM) สําหรับ SMT
การตรวจสอบ DFM มากกว่าโดยผู้ผลิต PCB ของคุณ จะพบปัญหาก่อนการผลิต
1.การรับรองห้องสมุดองค์ประกอบ: รับรองว่าร่องรอยตรงกับมาตรฐาน IPC-7351
2. Solder Paste Simulation: ใช้โปรแกรม (เช่น Valor NPI) เพื่อคาดเดาการเชื่อมต่อหรือพิมพ์ที่ไม่เพียงพอ
3.ความเข้ากันของโปรไฟล์ทางอุณหภูมิ: ตรวจสอบว่าวัสดุ PCB สามารถทนอุณหภูมิการไหลกลับได้ (สูงสุด 245-260 °C สําหรับการผสมที่ไม่มี鉛)
4การเข้าถึงจุดทดสอบ: ให้แน่ใจว่าจุดทดสอบ (0.8~1.2mm กว้าง) อยู่ห่างจากส่วนประกอบสําหรับการเข้าถึงซอนด์ ≥ 0.5mm

FAQ
คําถาม: สาเหตุที่พบบกพร่องของ SMT มากที่สุดคืออะไร?
A: การออกแบบแผ่นที่ไม่ดี (35% ของความบกพร่อง, ตามการศึกษา IPC), ตามด้วยปริมาณผสมท่อนที่ไม่เพียงพอ (25%).

Q: ฉันสามารถใช้ solder ที่นําไปเพื่อทําให้การออกแบบ SMT ง่ายขึ้นได้หรือไม่?
ตอบ: สายผสมไร้หมู (ตัวอย่างเช่น SAC305) ต้องการโดย RoHS ในตลาดส่วนใหญ่, แต่สายผสมที่มีหมู (Sn63/Pb37) มีอุณหภูมิการไหลกลับที่ต่ํากว่า (217 ° C เทียบกับ 217 ~ 227 ° C).การผสมผสานด้วยหมึกไม่ได้กําจัดปัญหาด้านการออกแบบ เช่น การสร้างสะพาน หรือการสร้างหินศพ.

Q: PCB warpage มีผลต่อการประกอบ SMT อย่างไร?
A: การบิด > 0.75% ส่งผลให้การใช้แป้ตผสมผสมไม่เท่าเทียมกันและส่วนประกอบไม่ตรงกัน, เพิ่มความบกพร่องขึ้น 20~40%.

Q: ความกว้างของรอยขั้นต่ําสําหรับ PCB SMT คืออะไร?
A: 0.1 มิลลิเมตร (4 มิล) สําหรับการใช้งานส่วนใหญ่; 0.075 มิลลิเมตร (3 มิล) สําหรับการออกแบบความละเอียดที่มีความสามารถในการผลิตที่ก้าวหน้า

ถาม: ผมต้องการช่องทางความร้อนกี่ช่อง สําหรับส่วนประกอบ 5W?
A: 8 ช่องทาง 10 ช่อง (0.3 มม.กว้าง) ที่มีความห่างกัน 1 มม., เชื่อมต่อกับระนาบพื้นทองแดง 2 อองซ์, โดยปกติก็เพียงพอสําหรับการระบาย 5W.

สรุป
การออกแบบ PCB SMT ต้องการความแม่นยํา การปฏิบัติตามมาตรฐาน และการร่วมมือระหว่างนักออกแบบและผู้ผลิต โดยแก้ปัญหาทั่วไป เช่น ระยะส่วนประกอบ การออกแบบพัดและการจัดการความร้อนและตอบสนองความต้องการ SMT ที่สําคัญคุณสามารถลดความบกพร่อง ลดต้นทุน และเร่งเวลาในการตลาด
จําไว้ว่า: PCB SMT ที่ออกแบบได้ดี ไม่ใช่แค่ฟังก์ชัน แต่เกี่ยวกับการผลิตได้การลงทุนเวลาในการตรวจสอบ DFM และการปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC จะจ่ายผลตอบแทนในผลผลผลิตที่สูงขึ้นและผลิตภัณฑ์ที่น่าเชื่อถือมากขึ้น.