Przegląd dokumentacji pod kątem produkowalności (DFM) przeprowadzany przez dostawcę usług EMS najczęściej odbywa się, gdy projekt jest już zaawansowany, a pliki Gerber gotowe do przekazania. Na tym etapie możliwe korekty są ograniczone: można dostosować otwór w szablonie, zmodyfikować kształt maski lub pojedynczy pad. Decyzje, które rzeczywiście kształtują koszt i ryzyko montażu, zostają podjęte znacznie wcześniej – podczas rozmieszczania elementów. Ich późniejsza zmiana oznacza konieczność ponownego prowadzenia ścieżek lub wprowadzenia dodatkowych kroków w procesie przy każdej produkowanej płytce.
DFM jako proces ciągły, nie kontrola końcowa
Norma IPC-2231A (DFX Guidelines, sierpień 2021) ujmuje projektowanie pod produkowalność jako proces obejmujący cały cykl projektu – od koncepcji, przez projekt szczegółowy i wydanie dokumentacji, po wsparcie pierwszej produkcji i walidację wyrobu. Dla każdego etapu wytyczna przewiduje osobne wejścia, zadania i wyniki. Analogicznie ujęto analizę testowalności (DFT) w rozdziale 8 tej samej normy – zaczyna się ona od etapu koncepcji, nie od gotowego layoutu.
Warto przy tym zaznaczyć zakres stosowania IPC-2221C (grudzień 2023), ogólnego standardu projektowania płytek drukowanych. Norma ta explicite zastrzega, że nie jest przeznaczona do użycia jako specyfikacja wykonania gotowej płytki ani dokument odbioru zmontowanych zespołów. Opisuje zasady projektowe o charakterze ogólnym i nie rozstrzyga, czy konkretna linia montażowa poradzi sobie z danym rozwiązaniem.
Z powyższego wynika podział reguł DFM na dwie kategorie: reguły ogólne, możliwe do wyczytania z norm i not aplikacyjnych, oraz reguły zależne od dostawcy, wynikające z jego wyposażenia maszynowego, sposobu podziału paneli i stosowanych metod testowania. Drugą grupę zna wyłącznie montażownia, co czyni wczesny kontakt z dostawcą EMS kluczowym elementem procesu projektowego.
Rozkład elementów na stronach płytki a liczba procesów lutowania
Płytka z elementami SMT wyłącznie po jednej stronie przechodzi przez piec jednokrotnie. Obecność elementów SMT po obu stronach wymaga dwóch przejść, przy czym połączenia strony zmontowanej jako pierwsza podlegają podczas drugiego przejścia ponownemu rozpływowi w pozycji odwróconej. Elementy przewlekane (THT) wymagają zazwyczaj kolejnego procesu – lutowania selektywnego, lutowania falą lub lutowania ręcznego – chyba że możliwe jest zastosowanie metody pin-in-paste w tym samym piecu.
Liczba procesów lutowania przekłada się bezpośrednio na koszt powtarzalny przy każdej płytce. Pytanie, czy dany element musi znajdować się po drugiej stronie płytki, warto postawić przed rozpoczęciem prowadzenia ścieżek – późniejsze przeniesienie elementu wiąże się z koniecznością wykonania nowego routingu.
Ograniczenia dla ciężkich elementów na spodzie płytki
Podczas drugiego przejścia przez piec lut pod elementami umieszczonymi na spodzie płytki ponownie się topi. Element pozostaje na miejscu wyłącznie dzięki napięciu powierzchniowemu ciekłego stopu. Granicę tego mechanizmu zbadali Yueli Liu (Auburn University) oraz David A. Geiger i Dongkai Shangguan (Flextronics) w pracy opublikowanej w Materials Transactions w 2006 roku. Jako kryterium przyjęto stosunek masy elementu do łącznej powierzchni jego padów.
Wcześniej stosowana reguła dla lutu SnPb dopuszczała na spodzie elementy o stosunku nieprzekraczającym 30 g/in² (ok. 0,047 g/mm²). W badaniu elementy lutowane stopem bezołowiowym nie odpadały, dopóki wskaźnik ten nie przekraczał 60 g/in². Po uwzględnieniu współczynnika bezpieczeństwa równego 2 autorzy zaproponowali dla lutu bezołowiowego próg 30 g/in². Badanie nie wykazało statystycznie istotnej różnicy między SnPb a stopem bezołowiowym, natomiast istotny wpływ miały wykończenie powierzchni płytki i grubość szablonu. Typ pasty i atmosfera w piecu nie miały znaczenia.
Podana wartość nadaje się do wstępnej selekcji, nie do rozstrzygania przypadków granicznych – pochodzi z jednego pojazdu testowego i określonego zestawu obudów (PBGA196, QFP208, QFP100, PLCC44). Element plasujący się blisko progu powinien zostać przeniesiony na stronę górną lub jego montaż należy uzgodnić z montażownią w zakresie podparcia albo klejenia. To ostatnie wymaga jednak dodatkowych kroków procesu, sprzętu i nakładów.
Przelotki w padach termicznych – ryzyko utraty lutu
Obudowy QFN i SON posiadają pad termiczny na spodzie, z którego ciepło odprowadzane jest przez przelotki wykonane w padach płytki. Otwarta przelotka działa jak kapilara – podczas rozpływu część lutu wpływa do otworu, zmniejszając jego ilość pod padem poniżej wartości wynikającej z szablonu.
Nota aplikacyjna Texas Instruments SLUA271C (grudzień 2023) traktuje to zjawisko jako kompromis wymagający świadomej decyzji projektowej. Dla aplikacji wymagających intensywnego chłodzenia zaleca rozstaw przelotek wynoszący ok. 1,0 mm i otwory o średnicy 0,3 mm jako wartość startową, wskazując że mniejsza przelotka ogranicza ryzyko utraty lutu. Nota omawia trzy podejścia do zamykania otworów. Zaślepienie (plugging) eliminuje utratę lutu, lecz nie zawsze jest uzasadnione ekonomicznie. Zakrycie maską od spodu jest tańsze, ale zwiększa ryzyko powstawania pustek wskutek uwięzionego powietrza i może być kłopotliwe dla niektórych producentów PCB ze względu na chemię zamykaną w otworze podczas galwanizacji. Zakrycie maską od góry rzadziej dawało przypadkowe pustki w próbach TI i wymaga, by średnica pola maski była o 0,1 mm większa od średnicy otworu. Nota odnotowuje przy tym, że przy wykończeniu OSP przelotki niezakryte z żadnej strony dawały powtarzalny wynik lutowania.
Wybór konkretnego rozwiązania zależy zatem od wykończenia powierzchni płytki i powinien zostać uzgodniony z jej producentem. Jednoznaczną podstawę dokumentacyjną stanowi norma IPC-4761 (lipiec 2006), opisująca siedem typów ochrony przelotek – od przelotki zakrytej (tented, typ I) do wypełnionej i zamkniętej warstwą miedzi (typ VII). Wskazanie konkretnego typu z tej normy w dokumentacji płytki jest precyzyjne; użycie ogólnego słowa „zaślepione" takie nie jest.
Kondensatory ceramiczne i linie podziału panelu
Płytki montuje się w panelach, które po montażu podlegają podziałowi. Operacja ta wygina płytkę i generuje naprężenia mechaniczne, które najmocniej oddziałują na elementy usytuowane blisko linii podziału. Najbardziej podatne na uszkodzenia są wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC).
Murata (aktualizacja artykułu o układzie MLCC, lipiec 2022) wskazuje, że ustawienie kondensatora równolegle do linii podziału jest najskuteczniejszym sposobem ograniczenia naprężeń podczas łamania płytki. Gdy zmiana orientacji nie jest możliwa, skuteczne jest wycięcie szczeliny w płytce odcinającej element od strefy deformacji. Decyzja ta należy do projektanta, ponieważ pęknięć kondensatorów inspekcja linii montażowej nie wykrywa. Inżynierowie Vishay wskazywali już w 2007 roku, że nie istnieje metoda wykrycia pękniętych kondensatorów po ich zamontowaniu na płytce – uszkodzenia tego rodzaju objawiają się wzrostem prądu upływu lub spadkiem rezystancji izolacji bądź pojemności dopiero podczas eksploatacji. W obszarach wymagających wysokiej niezawodności (np. elektronika medyczna) ręczne łamanie paneli i metody dopuszczające wyginanie płytki zastępuje się wykrawaniem lub frezowaniem.
Odpowiednie rozmieszczenie kondensatorów ceramicznych wymaga wcześniejszej wiedzy o przebiegu linii podziału panelu, co prowadzi do kolejnego obszaru wymagającego uzgodnień z montażownią.
Panelizacja i fiduciale – decyzje wymagające uzgodnienia
Norma IPC-2221C poświęca panelizacji osobny punkt (5.6), zawierający wymagania dotyczące pola wolnego wokół znaczników referencyjnych (fiduciali) i zasady oznaczania płytek odrzuconych w panelu (X-out). IPC-2231A zawiera analogiczne wytyczne w rozdziale poświęconym montażowi.
Panel bywa projektowany przez producenta płytek wyłącznie na podstawie obrysu pojedynczej płytki, bez wiedzy o rozmieszczeniu newralgicznych elementów. Aby uniknąć wynikających z tego problemów, przed zamówieniem płytek należy ustalić z montażownią: kto projektuje panel i według jakich wymagań maszyn montażowych; metodę podziału (frezowanie z mostkami, nacięcie V lub inna), gdyż od niej zależy lokalizacja stref wyginania; położenie fiduciali na panelu i w pobliżu elementów o małym rastrze; dopuszczalność paneli zawierających płytkę odrzuconą i sposób jej oznaczenia. To ostatnie jest decyzją zakupową – panel z jedną wadliwą płytką montuje się albo odrzuca w całości.
Strategia testowania a wymagania dla layoutu
Punkty testowe, jako elementy niewymagane do funkcjonowania układu, przy zagęszczaniu layoutu znikają jako pierwsze. Konsekwencje ujawniają się podczas uruchamiania produkcji, gdy okazuje się, że części sieci nie można dosięgnąć sondą. Norma IPC-2221C omawia tę kwestię w punkcie 3.6, opisując osobno test funkcjonalny i test w obwodzie (ICT), w tym wymagania przestrzenne dla pól testowych i uwarunkowania elektryczne przyrządów. IPC-2231A przywołuje normy IEEE 1149.x (boundary scan), umożliwiające testowanie połączeń układów cyfrowych bez fizycznego dostępu do każdej sieci – pod warunkiem że układy obsługują ten interfejs.
Wybór strategii testowania determinuje wymagania dla layoutu. Przyrząd igłowy wymaga pól testowych w przewidywalnych miejscach, najlepiej po jednej stronie płytki. Przyrząd budowany jest pod konkretny layout, a przesunięcie punktów testowych w kolejnej rewizji oznacza przeróbkę przyrządu. Tester z latającymi sondami nie wymaga dedykowanego przyrządu, lecz sprawdza punkty sekwencyjnie, co ogranicza jego zastosowanie do prototypów i krótkich serii. Test funkcjonalny wymaga złącza lub pól testowych umożliwiających podanie zasilania, zaprogramowanie układu i odczyt wyników. Wszystkie te pola muszą zostać uwzględnione na etapie layoutu. Wybór strategii jest decyzją wspólną dla projektanta i montażowni, zależną od planowanego wolumenu produkcji i od tego, kto buduje tester.
Podsumowanie
Wszystkie omówione decyzje mają jedną wspólną cechę: zapadają podczas rozmieszczania elementów, a ich zmiana po zakończeniu routingu jest kosztowna. Strona płytki dla ciężkich elementów SMT, typ przelotek w padach termicznych zgodny z IPC-4761, orientacja kondensatorów ceramicznych względem linii podziału panelu, projekt panelizacji oraz strategia testowania – to zagadnienia wymagające uzgodnienia z montażownią na wczesnym etapie projektu, a nie przy przeglądzie gotowej dokumentacji. Wczesna konsultacja z dostawcą EMS pozwala uniknąć kosztownych zmian rewizyjnych i ograniczyć ryzyko wad ujawniających się dopiero w eksploatacji. EAE Elektronik oferuje analizę wykonalności prowadzoną na etapie projektowym, umożliwiając weryfikację kluczowych decyzji rozmieszczeniowych przed zamówieniem pierwszych płytek.
Źródło: EAE Elektronik Spółka z o.o.
Więcej na www.eae-elektronik.pl
