Marcatori di riferimento nella progettazione e nell'assemblaggio di PCB

Nella progettazione e nell'assemblaggio di PCB, ottenere precisione è una sfida significativa. Man mano che le schede diventano più complesse, come possiamo garantire che i componenti siano posizionati accuratamente? I marcatori fiducial, spesso trascurati, sono importanti per questo processo. Agiscono come punti di riferimento per le apparecchiature di assemblaggio automatizzate, svolgendo un ruolo fondamentale nella produzione.

Questo articolo tratta le best practice, i fattori di progettazione e le domande frequenti sui marcatori fiducial per aiutarti a ottimizzare il processo di progettazione e assemblaggio dei PCB.

Best practice per il posizionamento dei fiducial sulle PCB

Per quanto riguarda il posizionamento dei fiducial, seguire le best practice può migliorare significativamente l'accuratezza e l'efficienza del processo di assemblaggio dei PCB. Esaminiamo i fattori importanti per un posizionamento ottimale dei fiducial.

Numero di fiducial

Il numero di fiducial utilizzati può fare una differenza sostanziale nell'accuratezza dell'assemblaggio. Per risultati ottimali, si consiglia generalmente di utilizzare tre fiducial globali. Questi forniscono i migliori punti di riferimento per le apparecchiature di assemblaggio automatizzate per allineare correttamente la scheda. Ma cosa succede se lo spazio è limitato sulla tua PCB?

Nei casi in cui lo spazio sulla scheda è limitato, potresti chiederti se un numero inferiore di fiducial sarebbe sufficiente. Sebbene tre sia l'ideale, puoi cavartela con almeno un fiducial globale, se necessario. Tuttavia, tieni presente che ciò potrebbe ridurre l'accuratezza complessiva del posizionamento dei componenti, soprattutto sulle schede più grandi.

Per i fiducial locali, che vengono utilizzati per l'allineamento preciso di componenti specifici, la regola pratica è di utilizzarne almeno due. Questi devono essere posizionati diagonalmente sul bordo esterno del componente a montaggio superficiale. Questo posizionamento diagonale fornisce all'apparecchiatura di assemblaggio due punti di riferimento per garantire un orientamento e un posizionamento accurati del componente.

È interessante notare che, sebbene si possa pensare che un numero maggiore di fiducial porterebbe a una maggiore accuratezza, non è sempre così. Infatti, l'utilizzo di quattro fiducial può effettivamente confondere il sistema di visione artificiale utilizzato nell'assemblaggio automatizzato. Il sistema si basa sul confronto delle posizioni dei fiducial rispetto a un angolo privo di fiducial, quindi un quarto fiducial può interrompere questo processo.

Posizionamento

Il posizionamento dei fiducial è altrettanto cruciale quanto il loro numero. Per massimizzare l'accuratezza, i fiducial devono essere posizionati verso gli angoli della PCB. Questa strategia di posizionamento massimizza la distanza tra i fiducial, il che migliora la capacità dell'apparecchiatura di assemblaggio di rilevare e correggere anche piccole deviazioni angolari.

I fiducial globali devono essere posizionati sul bordo della scheda. Tuttavia, è importante mantenere una distanza minima di 0,3 pollici (7,5 mm) tra il fiducial e il bordo della scheda, escludendo l'area di gioco. Ciò garantisce che i fiducial siano facilmente rilevabili dall'apparecchiatura di assemblaggio, evitando potenziali problemi con la gestione della scheda e i processi di produzione.

È fondamentale evitare di posizionare fiducial identici uno accanto all'altro quando si posizionano i fiducial. Ciò può confondere l'apparecchiatura di assemblaggio e potenzialmente portare a un disallineamento. Invece, punta a un posizionamento chiaro e distinto che fornisca punti di riferimento inequivocabili.

Sulle schede più grandi, la distanza tra i fiducial diventa ancora più critica. Una maggiore separazione tra i fiducial migliora il rilevamento di piccole deviazioni angolari, portando a un posizionamento dei componenti più accurato su tutta la superficie della scheda.

Casi speciali

I progetti di PCB non sono sempre semplici e alcuni scenari richiedono una considerazione speciale quando si tratta di posizionamento dei fiducial. Per le PCB non quadrate, come le schede a forma di T o a forma di L, dovrai adattare la tua strategia di posizionamento dei fiducial alla geometria specifica. La chiave è garantire che i fiducial forniscano punti di riferimento chiari per tutte le aree della scheda, il che potrebbe richiedere più dei tre fiducial standard.

Quando si lavora con schede a 2 strati, entra in gioco un'ulteriore considerazione. In questi casi, è fondamentale garantire che i fiducial dello strato superiore e inferiore siano allineati direttamente uno sopra l'altro. Questo allineamento aiuta a mantenere la coerenza tra gli strati e garantisce un posizionamento accurato dei componenti su entrambi i lati della scheda.

Seguire queste best practice per il posizionamento dei fiducial può aiutarti a migliorare significativamente l'accuratezza e l'affidabilità del processo di assemblaggio dei PCB. Ricorda, è sempre consigliabile consultare il produttore di PCB e l'assemblatore per garantire che la tua strategia di posizionamento dei fiducial sia in linea con le loro specifiche apparecchiature e processi.

Regole di progettazione e considerazioni per i marcatori fiducial

Sebbene il posizionamento sia essenziale, la progettazione dei marcatori fiducial stessi è altrettanto importante. Ecco le principali regole di progettazione e considerazioni che possono aiutarti a ottimizzare i tuoi marcatori fiducial per i migliori risultati di assemblaggio possibili.

Forma

Quando si tratta della forma dei marcatori fiducial, la semplicità e l'universalità sono fondamentali. Le forme circolari sono il gold standard per i marcatori fiducial. Ma perché i cerchi? La risposta sta nella loro simmetria e facilità di riconoscimento da parte delle apparecchiature di assemblaggio automatizzate.

Sebbene le macchine moderne siano diventate sempre più sofisticate e possano riconoscere varie forme, i fiducial circolari rimangono la scelta preferita per il riconoscimento universale. Ciò è particolarmente importante se le tue PCB potrebbero essere assemblate utilizzando apparecchiature diverse o in diverse strutture. Attenersi ai fiducial circolari garantisce la compatibilità con un'ampia gamma di processi di assemblaggio.

Dimensione

La dimensione è importante quando si tratta di marcatori fiducial e trovare il giusto equilibrio è fondamentale. La dimensione ottimale per un marcatore fiducial è in genere compresa tra 1 e 3 mm di diametro. Questo intervallo offre un buon equilibrio tra la visibilità per l'apparecchiatura di assemblaggio e l'uso minimo dello spazio sulla scheda.

Il fiducial stesso è solo una parte dell'equazione. È altrettanto importante mantenere un'area di gioco attorno al fiducial. Questa area di gioco dovrebbe avere un diametro simile al marcatore stesso, raddoppiando essenzialmente l'area totale dedicata a ciascun fiducial. Alcuni produttori preferiscono persino un'area di gioco con un diametro tre volte superiore a quello del fiducial.

Per l'apertura della maschera di saldatura, una buona regola pratica è quella di raddoppiare il diametro del rame nudo per il fiducial. Questa apertura più ampia aiuta a garantire che il fiducial sia chiaramente visibile all'apparecchiatura di assemblaggio, anche se ci sono lievi variazioni nel processo di produzione.

La coerenza è fondamentale quando si tratta di dimensioni dei fiducial sulla stessa scheda. Sia i fiducial globali che quelli locali devono avere dimensioni coerenti, con variazioni non superiori a circa 25 micron. Questa coerenza aiuta a garantire un riconoscimento e un allineamento affidabili su tutta la scheda.

Materiale e spazio libero

Il materiale utilizzato per i marcatori di riferimento dovrebbe essere lo stesso del resto della scheda, in genere rame. Ciò garantisce coerenza nell'aspetto e aiuta a prevenire eventuali problemi che potrebbero derivare dall'uso di materiali diversi.

Un aspetto cruciale della progettazione dei riferimenti è garantire che il marcatore sia privo di maschera di saldatura e non coperto da serigrafia. Il rame nudo del riferimento fornisce il miglior contrasto per il riconoscimento ottico da parte delle apparecchiature di assemblaggio. Per migliorare ulteriormente questo contrasto, mantenere un'area di spazio libero attorno al marcatore con un diametro di almeno due volte la dimensione del pad. Quest'area libera aiuta l'apparecchiatura di assemblaggio a distinguere facilmente il riferimento dalle caratteristiche circostanti sulla scheda.

Rapporto di contrasto

L'efficacia dei marcatori di riferimento dipende fortemente dalla loro visibilità per le apparecchiature di assemblaggio automatizzate. A tal fine, è fondamentale garantire un elevato rapporto di contrasto tra il segno di riferimento e lo sfondo. Questo elevato contrasto rende più facile per l'apparecchiatura individuare rapidamente e con precisione i riferimenti, portando a un posizionamento dei componenti più preciso.

Strato protettivo

Sebbene i riferimenti non siano funzionali in termini di circuito, la loro integrità è fondamentale per un assemblaggio accurato. Per mantenere la distinguibilità dei riferimenti durante l'elaborazione e la manipolazione, prendere in considerazione l'utilizzo di uno strato protettivo. Opzioni come la placcatura in nichel/stagno o HASL (Hot Air Solder Leveling) possono essere efficaci.

Lo spessore di questo strato protettivo è importante. Uno strato compreso tra 5 e 10 micron è in genere sufficiente, ma non deve superare i 25 micron. Questo strato protettivo serve a prevenire l'ossidazione o altre forme di ossidazione che potrebbero potenzialmente confondere i sistemi ottici utilizzati nell'assemblaggio automatizzato.

L'obiettivo è fornire punti di riferimento chiari e coerenti che consentano alle apparecchiature automatizzate di posizionare i componenti con la massima precisione possibile.

I fiduciali locali sono necessari nell'assemblaggio di PCB moderno?

Nel campo dell'assemblaggio di PCB, la necessità di fiducial locali è un argomento di discussione continua. Con l'avanzare della tecnologia, potresti chiederti: i fiducial locali sono ancora rilevanti nell'assemblaggio di PCB moderno? In realtà, la risposta dipende da diversi fattori.

Dimensioni della scheda

Le dimensioni del tuo PCB sono importanti per determinare la necessità di riferimenti locali. Per le schede piccole, i riferimenti globali possono spesso essere sufficienti, fungendo da locali a causa della superficie più piccola. In questi casi, la distanza tra qualsiasi punto sulla scheda e i riferimenti globali è relativamente piccola, consentendo un posizionamento accurato dei componenti sull'intera scheda.

Man mano che le dimensioni delle schede aumentano, la necessità di riferimenti locali diventa più pronunciata. Le schede più grandi di 8×8 pollici generalmente richiedono riferimenti locali per un posizionamento accurato, soprattutto quando si ha a che fare con componenti a passo fine. Questo perché le schede più grandi sono più suscettibili a lievi deformazioni o variazioni dimensionali, che possono portare a errori cumulativi nel posizionamento dei componenti all'aumentare della distanza dai riferimenti globali.

Specifiche dei componenti

I tipi di componenti che stai utilizzando sul tuo PCB possono influenzare in modo significativo la necessità di riferimenti locali. I componenti con un passo inferiore a 1,0 mm, in particolare i BGA con passi inferiori a 0,5 mm – 0,8 mm, generalmente richiedono riferimenti locali. Questi componenti a passo fine richiedono un posizionamento estremamente preciso e i riferimenti locali forniscono i punti di riferimento aggiuntivi necessari per raggiungere questo livello di precisione.

I chip SMD più grandi e centralizzati, come i BGA più grandi, hanno maggiori probabilità di aver bisogno di riferimenti locali a causa del maggiore rischio di disallineamento. Anche un leggero errore angolare può comportare un disallineamento significativo ai bordi di questi componenti più grandi.

D'altra parte, i componenti con un passo più grande (ad esempio, 1,0 mm e superiore) potrebbero non richiedere riferimenti locali. Le moderne apparecchiature di assemblaggio possono spesso posizionare questi componenti con precisione utilizzando solo riferimenti globali, soprattutto su schede più piccole.

Progressi nella tecnologia

Le capacità delle macchine pick-and-place sono migliorate notevolmente negli ultimi anni. Man mano che queste macchine diventano più precise, alcuni negozi di assemblaggio si stanno allontanando dai riferimenti locali, soprattutto sulle schede più piccole. Queste macchine avanzate possono spesso raggiungere elevati livelli di precisione utilizzando solo riferimenti globali, riducendo la necessità di punti di riferimento aggiuntivi.

La decisione di omettere i riferimenti locali deve essere presa con attenzione. È necessario tenere conto delle specifiche capacità dell'apparecchiatura di assemblaggio utilizzata, nonché della complessità del progetto della scheda.

Comunicazione con il produttore

Data la variabilità delle apparecchiature e dei processi di assemblaggio, la comunicazione con il produttore è fondamentale. Prima di decidere se includere i riferimenti locali, discutere la progettazione e le specifiche della macchina pick-and-place con il produttore. Possono fornire preziose informazioni dettagliate sulle loro specifiche capacità e requisiti.

Verificare sempre con il produttore i requisiti specifici del marcatore di riferimento. Alcuni potrebbero avere linee guida rigorose basate sulle loro apparecchiature e processi, mentre altri potrebbero essere più flessibili. Questa comunicazione garantisce che il progetto della scheda sia allineato con le capacità del produttore, portando ai migliori risultati di assemblaggio possibili.

Riparazione e rilavorazione

Sebbene l'attenzione principale sia spesso sull'assemblaggio iniziale, considerare la potenziale necessità di riparazioni o rilavorazioni future. Anche se i riferimenti locali non sono assolutamente necessari per il posizionamento iniziale, possono essere utili in questi scenari. I riferimenti locali forniscono punti di riferimento precisi che possono essere cruciali quando si sostituiscono o si riallineano i componenti durante i processi di riparazione.

Uso dei fiducial su pannelli e stencil

I marcatori di riferimento sono essenziali non solo sui singoli PCB, ma anche sui pannelli e sugli stencil utilizzati nel processo di produzione. Comprendere come vengono utilizzati i riferimenti in questi contesti può aiutarti a ottimizzare il processo di produzione complessivo del PCB:

Sul pannello

I pannelli PCB, che contengono più schede individuali, richiedono il proprio set di riferimenti per guidare il processo di produzione. Ma dove esattamente sono posizionati questi riferimenti e in che modo differiscono da quelli sulle singole schede?

I riferimenti sui pannelli servono a fornire una misurazione dell'orientamento per l'intero pannello durante la fabbricazione. Sono in genere posizionati lungo i bordi del pannello vicino ai fori degli utensili, in modo simile a come i riferimenti sono posizionati sui singoli PCB. Questo posizionamento consente alle apparecchiature di produzione di allineare ed elaborare accuratamente l'intero pannello.

È interessante notare che i riferimenti del pannello possono avere le stesse dimensioni dei tipici riferimenti della scheda. Questa coerenza può semplificare il processo di produzione e ridurre la possibilità di errori. Tuttavia, è importante notare che ogni singola scheda all'interno del pannello avrà comunque i propri riferimenti per l'allineamento dopo il distacco dal pannello.

Sullo stencil

Gli stencil per pasta saldante, utilizzati per applicare la pasta saldante ai PCB prima del posizionamento dei componenti, richiedono anche riferimenti per un allineamento accurato. Ma in che modo i riferimenti dello stencil differiscono da quelli sui PCB?

Gli stencil hanno in genere tre fiducial globali, corrispondenti al posizionamento sul PCB. Questo posizionamento corrispondente è fondamentale per garantire che la pasta saldante venga applicata con precisione alle aree corrette sulla scheda. A differenza dei PCB, gli stencil generalmente non richiedono fiducial locali, poiché i fiducial globali forniscono un allineamento sufficiente per l'intero stencil.

L'allineamento accurato tra lo stencil e il PCB è fondamentale per garantire che la pasta saldante venga applicata solo alle aree previste. Anche un leggero disallineamento può portare a ponti di saldatura o a una quantità insufficiente di saldatura sui pad dei componenti, causando potenzialmente difetti di assemblaggio.

Oltre ai fiducial dello stencil con erogazione automatizzata

Sebbene gli stencil siano un metodo comune per l'applicazione della pasta saldante, esiste un approccio alternativo che sta guadagnando terreno in determinati scenari: l'erogazione automatizzata della pasta. In che modo questo metodo utilizza i fiducial e quando potrebbe essere preferibile all'applicazione dello stencil?

Le macchine di erogazione automatizzata della pasta offrono un'alternativa agli stencil, utilizzando i fiducial del PCB per l'allineamento. Questo approccio elimina la necessità di utensili e pulizia dello stencil, il che può essere particolarmente vantaggioso per prototipi o tirature di produzione a basso volume.

L'utilizzo diretto dei fiducial del PCB consente all'erogazione automatizzata di ottenere un posizionamento accurato della pasta saldante senza la necessità di uno stencil separato. Ciò può semplificare il processo di produzione, soprattutto per le schede con frequenti modifiche al design o per i produttori che si occupano di un'ampia varietà di design di schede.

L'erogazione automatizzata ha in genere una produttività inferiore rispetto all'applicazione dello stencil. Mentre uno stencil può applicare la pasta saldante a tutti i pad contemporaneamente, un erogatore automatico deve applicare la pasta a ciascun pad individualmente. Di conseguenza, l'erogazione automatizzata è spesso preferita per lavori di assemblaggio a breve termine e a rotazione rapida in cui il tempo di configurazione ridotto supera la velocità di applicazione più lenta.

Affrontare le domande più comuni sul posizionamento dei fiducial

Mentre approfondiamo il mondo dei marcatori fiducial, spesso sorgono diverse domande e preoccupazioni comuni. Affrontiamo alcuni di questi problemi chiave per aiutarti a orientarti tra le complessità del posizionamento fiducial nei tuoi progetti PCB.

Posizionamento dei componenti vicino al bordo

Una preoccupazione frequente è il posizionamento dei componenti lontano dai fiducial e vicino al bordo del PCB. Perché questo è un potenziale problema e come può essere affrontato?

Quando i componenti sono posizionati lontano dai fiducial e vicino al bordo della scheda, c'è un rischio maggiore di disallineamento durante l'assemblaggio automatizzato. Questo perché più un componente è lontano dai fiducial di riferimento, maggiore è il potenziale di errori cumulativi nel posizionamento.

Ad esempio, considera uno scenario in cui i componenti sono posizionati in un'area lontana dai fiducial più vicini, chiamiamola area "A". L'apparecchiatura di assemblaggio deve estrapolare la posizione di posizionamento corretta in base ai fiducial che sono relativamente distanti. Qualsiasi leggero disallineamento angolare o deformazione della scheda può essere amplificato su questa distanza, portando potenzialmente a un posizionamento dei componenti meno accurato.

Per mitigare questo problema, considera le seguenti strategie:

1. Se possibile, regola il layout della scheda per mantenere i componenti critici più vicini ai fiducial.
2. Per le schede più grandi, valuta la possibilità di aggiungere fiducial locali vicino alle aree con posizionamento denso dei componenti, soprattutto se queste aree sono lontane dai fiducial globali.
3. Discuti questa preoccupazione con il tuo assemblatore. Potrebbero avere raccomandazioni specifiche in base alle capacità delle loro apparecchiature.

Componenti a passo fine e conteggio fiducial

Un'altra domanda comune riguarda l'apparente contraddizione di aggiungere più dei tre fiducial raccomandati quando si ha a che fare con componenti a passo fine come BGA o QFN. Questo non viola la regola del "massimo di 3 fiducial"?

La chiave per capire questo è distinguere tra fiducial globali e locali. La regola del "massimo di 3 fiducial" si applica generalmente ai fiducial globali, che vengono utilizzati per l'allineamento generale della scheda. I fiducial locali, d'altra parte, vengono utilizzati per l'allineamento preciso di componenti specifici e possono essere aggiunti secondo necessità.

Per i componenti a passo fine come BGA o QFN di grandi dimensioni, l'aggiunta di fiducial locali (in genere due, posizionati in diagonale) vicino al componente può migliorare significativamente la precisione del posizionamento. Questi fiducial locali funzionano in combinazione con i fiducial globali, fornendo un punto di riferimento aggiuntivo per l'apparecchiatura di assemblaggio per garantire l'allineamento preciso di questi componenti critici.

Quindi, anche se potresti avere tre fiducial globali sulla tua scheda, puoi comunque aggiungere fiducial locali vicino ai componenti a passo fine senza violare la linea guida generale. La chiave è utilizzare i fiducial locali con giudizio, aggiungendoli solo dove forniscono un chiaro vantaggio in termini di precisione del posizionamento.

Forme PCB non quadrate

I design PCB non sono sempre semplici rettangoli. Che dire del posizionamento fiducial su PCB non quadrati, come schede a forma di T o a forma di L?

Le forme PCB non standard presentano sfide uniche per il posizionamento fiducial. Il principio chiave da ricordare è che i fiducial devono fornire punti di riferimento chiari per tutte le aree della scheda. Nel caso di schede a forma di T o a forma di L, ciò potrebbe richiedere più dei tre fiducial standard.

Per queste forme non quadrate, considera il seguente approccio:

1. Posiziona i fiducial alle estremità della forma della scheda. Per una scheda a forma di T, ciò potrebbe significare posizionare i fiducial alle estremità della traversa della "T" e nella parte inferiore dello stelo.
2. Assicurati che ogni area significativa della scheda si trovi a una distanza ragionevole da almeno due fiducial. Ciò potrebbe richiedere l'aggiunta di fiducial extra oltre i tre standard.
3. Presta particolare attenzione alle aree che sporgono dal corpo principale della scheda. Queste aree potrebbero trarre vantaggio dai fiducial locali se contengono componenti a passo fine o critici.

Ricorda, l'obiettivo è fornire all'apparecchiatura di assemblaggio punti di riferimento sufficienti per determinare con precisione l'orientamento e la posizione della scheda, indipendentemente dalla sua forma. Sebbene ciò possa richiedere più di tre fiducial, la maggiore precisione nel posizionamento dei componenti vale bene lo spazio aggiuntivo sulla scheda.

In tutti questi casi – componenti vicino ai bordi, componenti a passo fine e forme di scheda non standard – la comunicazione con il produttore del PCB e l'assemblatore è fondamentale. Possono fornire preziose informazioni basate sulle capacità specifiche delle loro apparecchiature e possono avere raccomandazioni aggiuntive per garantire i migliori risultati possibili per il tuo design PCB unico.