Fiducial Markers in PCB-ontwerp en -assemblage

In PCB-ontwerp en -assemblage is het bereiken van precisie een aanzienlijke uitdaging. Naarmate boards complexer worden, hoe zorgen we ervoor dat componenten nauwkeurig worden geplaatst? Fiducial markeringen, vaak over het hoofd gezien, zijn belangrijk voor dit proces. Ze fungeren als wegwijzers voor geautomatiseerde assemblageapparatuur en spelen een cruciale rol in de productie.

Dit artikel behandelt best practices, ontwerpfactoren en veelgestelde vragen over fiducial markeringen om uw PCB-ontwerp- en assemblageproces te helpen optimaliseren.

Best practices voor fiducial plaatsing op PCB's

Met betrekking tot fiducial plaatsing kan het volgen van best practices de nauwkeurigheid en efficiëntie van uw PCB-assemblageproces aanzienlijk verbeteren. Laten we de belangrijke factoren voor optimale fiducial plaatsing onderzoeken.

Aantal Fiducials

Het aantal fiducials dat u gebruikt, kan een aanzienlijk verschil maken in de nauwkeurigheid van de assemblage. Voor optimale resultaten wordt over het algemeen aanbevolen om drie globale fiducials te gebruiken. Deze bieden de beste referentiepunten voor geautomatiseerde assemblageapparatuur om de printplaat correct uit te lijnen. Maar wat als de ruimte op uw PCB beperkt is?

In gevallen waar de ruimte op de printplaat beperkt is, vraagt u zich misschien af of minder fiducials voldoende zouden zijn. Hoewel drie ideaal is, kunt u indien nodig met minstens één globale fiducial uit de voeten. Houd er echter rekening mee dat dit de algehele nauwkeurigheid van de componentplaatsing kan verminderen, vooral op grotere printplaten.

Voor lokale fiducials, die worden gebruikt voor nauwkeurige uitlijning van specifieke componenten, is de vuistregel om er minstens twee te gebruiken. Deze moeten diagonaal aan de buitenrand van de opbouwcomponent worden geplaatst. Deze diagonale plaatsing biedt de assemblageapparatuur twee referentiepunten om een nauwkeurige oriëntatie en plaatsing van de component te garanderen.

Interessant is dat, hoewel u misschien denkt dat meer fiducials tot een betere nauwkeurigheid zouden leiden, dit niet altijd het geval is. In feite kan het gebruik van vier fiducials het computerviziersysteem dat wordt gebruikt bij geautomatiseerde assemblage zelfs in verwarring brengen. Het systeem is afhankelijk van het vergelijken van fiducial posities met een fiducial-vrije hoek, dus een vierde fiducial kan dit proces verstoren.

Plaatsing

De plaatsing van fiducials is net zo cruciaal als hun aantal. Om de nauwkeurigheid te maximaliseren, moeten fiducials naar de hoeken van de PCB worden geplaatst. Deze plaatsingsstrategie maximaliseert de afstand tussen fiducials, wat het vermogen van de assemblageapparatuur vergroot om zelfs kleine hoekafwijkingen te detecteren en te corrigeren.

Globale fiducials moeten aan de rand van de printplaat worden geplaatst. Het is echter belangrijk om een minimale afstand van 0,3 inch (7,5 mm) tussen de fiducial en de rand van de printplaat te bewaren, exclusief het vrije gebied. Dit zorgt ervoor dat de fiducials gemakkelijk detecteerbaar zijn door de assemblageapparatuur en vermijdt potentiële problemen met de verwerking van de printplaat en de fabricageprocessen.

Het is cruciaal om te voorkomen dat identieke fiducials naast elkaar worden geplaatst bij het plaatsen van fiducials. Dit kan de assemblageapparatuur in verwarring brengen en mogelijk leiden tot verkeerde uitlijning. Streef in plaats daarvan naar een duidelijke, duidelijke plaatsing die ondubbelzinnige referentiepunten biedt.

Op grotere printplaten wordt de afstand tussen fiducials nog belangrijker. Een grotere afstand tussen fiducials verbetert de detectie van kleine hoekafwijkingen, wat leidt tot een nauwkeurigere componentplaatsing over het gehele printplaatoppervlak.

Speciale gevallen

PCB-ontwerpen zijn niet altijd eenvoudig en bepaalde scenario's vereisen speciale aandacht als het gaat om fiducial plaatsing. Voor niet-vierkante PCB's, zoals T-vormige of L-vormige printplaten, moet u uw fiducial plaatsingsstrategie aanpassen aan de specifieke geometrie. De sleutel is ervoor te zorgen dat de fiducials duidelijke referentiepunten bieden voor alle gebieden van de printplaat, wat mogelijk meer dan de standaard drie fiducials vereist.

Bij het werken met 2-laags printplaten komt er een extra overweging om de hoek kijken. In deze gevallen is het cruciaal om ervoor te zorgen dat de fiducials van de bovenste en onderste laag direct boven elkaar zijn uitgelijnd. Deze uitlijning helpt de consistentie tussen de lagen te behouden en zorgt voor een nauwkeurige componentplaatsing aan beide zijden van de printplaat.

Het volgen van deze best practices voor fiducial plaatsing kan u helpen de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van uw PCB-assemblageproces aanzienlijk te verbeteren. Vergeet niet dat het altijd verstandig is om uw PCB-fabrikant en assemblagebedrijf te raadplegen om ervoor te zorgen dat uw fiducial plaatsingsstrategie overeenkomt met hun specifieke apparatuur en processen.

Ontwerp regels en overwegingen voor fiducial markeringen

Hoewel plaatsing essentieel is, is het ontwerp van de fiducial markeringen zelf net zo belangrijk. Hier zijn de belangrijkste ontwerp regels en overwegingen die u kunnen helpen uw fiducial markeringen te optimaliseren voor de best mogelijke assemblageresultaten.

Vorm

Als het gaat om de vorm van fiducial markeringen, zijn eenvoud en universaliteit essentieel. Cirkelvormige vormen zijn de gouden standaard voor fiducial markeringen. Maar waarom cirkels? Het antwoord ligt in hun symmetrie en het gemak waarmee ze door geautomatiseerde assemblageapparatuur kunnen worden herkend.

Hoewel moderne machines steeds geavanceerder zijn geworden en verschillende vormen kunnen herkennen, blijven cirkelvormige fiducials de voorkeurskeuze voor universele herkenning. Dit is vooral belangrijk als uw PCB's mogelijk worden geassembleerd met behulp van verschillende apparatuur of in verschillende faciliteiten. Vasthouden aan cirkelvormige fiducials zorgt voor compatibiliteit met een breed scala aan assemblageprocessen.

Grootte

Grootte is belangrijk als het gaat om fiducial markeringen, en het vinden van de juiste balans is cruciaal. De optimale grootte voor een fiducial markering ligt doorgaans tussen 1 en 3 mm in diameter. Dit bereik biedt een goede balans tussen zichtbaarheid voor de assemblageapparatuur en minimaal gebruik van printplaatruimte.

De fiducial zelf is slechts een deel van de vergelijking. Het is even belangrijk om een vrije ruimte rond de fiducial te behouden. Deze vrije ruimte moet een diameter hebben die vergelijkbaar is met de markering zelf, waardoor het totale gebied dat aan elke fiducial is gewijd in wezen wordt verdubbeld. Sommige fabrikanten geven zelfs de voorkeur aan een vrije ruimte met drie keer de diameter van de fiducial.

Voor de soldeermaskeropening is een goede vuistregel om deze twee keer de diameter van het blanke koper voor de fiducial te maken. Deze grotere opening zorgt ervoor dat de fiducial duidelijk zichtbaar is voor de assemblageapparatuur, zelfs als er kleine variaties in het fabricageproces zijn.

Consistentie is essentieel als het gaat om fiducial-formaten op dezelfde printplaat. Zowel globale als lokale fiducials moeten consistent van formaat zijn, met variaties van niet meer dan ongeveer 25 micron. Deze consistentie helpt bij het garanderen van betrouwbare herkenning en uitlijning over de hele printplaat.

Materiaal en speling

Het materiaal dat wordt gebruikt voor fiducial-markeringen moet hetzelfde zijn als de rest van de printplaat, meestal koper. Dit zorgt voor consistentie in uiterlijk en helpt problemen te voorkomen die kunnen ontstaan door het gebruik van verschillende materialen.

Een cruciaal aspect van fiducial-ontwerp is ervoor te zorgen dat de markering vrij is van soldeermasker en niet bedekt is met zeefdruk. Het blanke koper van de fiducial biedt het beste contrast voor optische herkenning door assemblageapparatuur. Om dit contrast verder te verbeteren, handhaaft u een speling rond de markering met een diameter van ten minste twee keer de grootte van de pad. Dit heldere gebied helpt de assemblageapparatuur om de fiducial gemakkelijk te onderscheiden van de omliggende kenmerken op de printplaat.

Contrastverhouding

De effectiviteit van fiducial-markeringen is sterk afhankelijk van hun zichtbaarheid voor geautomatiseerde assemblageapparatuur. Om dit te bereiken, is het cruciaal om te zorgen voor een hoge contrastverhouding tussen de fiducial-markering en de achtergrond. Dit hoge contrast maakt het voor de apparatuur gemakkelijker om de fiducials snel en nauwkeurig te lokaliseren, wat leidt tot een nauwkeurigere plaatsing van componenten.

Beschermende laag

Hoewel fiducials niet-functioneel zijn in termen van het circuit, is hun integriteit cruciaal voor een nauwkeurige assemblage. Om de onderscheidbaarheid van fiducials tijdens de verwerking en behandeling te behouden, kunt u overwegen om een beschermende laag te gebruiken. Opties zoals nikkel/tin plating of HASL (Hot Air Solder Leveling) kunnen effectief zijn.

De dikte van deze beschermende laag is belangrijk. Een laag tussen 5 en 10 micron is doorgaans voldoende, maar mag niet meer dan 25 micron bedragen. Deze beschermende laag dient om oxidatie of andere vormen van aantasting te voorkomen die mogelijk de optische systemen die worden gebruikt in geautomatiseerde assemblage kunnen verwarren.

Het doel is om duidelijke, consistente referentiepunten te bieden die geautomatiseerde apparatuur in staat stellen om componenten met de hoogst mogelijke precisie te plaatsen.

Zijn lokale fiducials noodzakelijk bij moderne PCB-assemblage?

Op het gebied van PCB-assemblage is de noodzaak van lokale fiducials een onderwerp van voortdurende discussie. Naarmate de technologie vordert, vraagt u zich misschien af: zijn lokale fiducials nog steeds relevant in de moderne PCB-assemblage? Het antwoord hangt eigenlijk af van verschillende factoren.

Boardgrootte

De grootte van uw PCB is belangrijk bij het bepalen van de noodzaak van lokale fiducials. Voor kleine boards kunnen globale fiducials vaak volstaan, die als locals fungeren vanwege het kleinere oppervlak. In deze gevallen is de afstand tussen elk punt op de board en de globale fiducials relatief klein, waardoor een nauwkeurige plaatsing van componenten over de hele board mogelijk is.

Naarmate de boardformaten toenemen, wordt de behoefte aan lokale fiducials duidelijker. Boards groter dan 8×8 inch vereisen over het algemeen lokale fiducials voor een nauwkeurige plaatsing, vooral bij het werken met fine-pitch componenten. Dit komt doordat grotere boards gevoeliger zijn voor lichte kromming of dimensionale variaties, wat kan leiden tot cumulatieve fouten in de plaatsing van componenten naarmate de afstand tot globale fiducials toeneemt.

Component Specificaties

De soorten componenten die u op uw PCB gebruikt, kunnen de behoefte aan lokale fiducials aanzienlijk beïnvloeden. Componenten met een pitch van minder dan 1,0 mm, vooral BGA's met pitches van minder dan 0,5 mm - 0,8 mm, vereisen over het algemeen lokale fiducials. Deze fine-pitch componenten vereisen een uiterst nauwkeurige plaatsing en lokale fiducials bieden de extra referentiepunten die nodig zijn om dit niveau van nauwkeurigheid te bereiken.

Grotere, gecentraliseerde SMD-chips, zoals grotere BGA's, hebben meer kans op lokale fiducials nodig vanwege het grotere risico op verkeerde uitlijning. Zelfs een kleine hoekfout kan leiden tot een aanzienlijke verkeerde uitlijning aan de randen van deze grotere componenten.

Aan de andere kant hebben componenten met een grotere pitch (bijv. 1,0 mm en hoger) mogelijk geen lokale fiducials nodig. Moderne assemblageapparatuur kan deze componenten vaak nauwkeurig plaatsen met alleen globale fiducials, vooral op kleinere boards.

Vooruitgang in technologie

De mogelijkheden van pick-and-place machines zijn de afgelopen jaren enorm verbeterd. Naarmate deze machines nauwkeuriger worden, stappen sommige assemblagewerkplaatsen af van lokale fiducials, vooral op kleinere boards. Deze geavanceerde machines kunnen vaak een hoge mate van nauwkeurigheid bereiken met alleen globale fiducials, waardoor de behoefte aan extra referentiepunten afneemt.

De beslissing om lokale fiducials weg te laten, moet zorgvuldig worden genomen. Er moet rekening worden gehouden met de specifieke mogelijkheden van de gebruikte assemblageapparatuur, evenals met de complexiteit van uw boardontwerp.

Communicatie met de fabrikant

Gezien de variabiliteit in assemblageapparatuur en -processen, is communicatie met uw fabrikant cruciaal. Bespreek, voordat u beslist of u lokale fiducials wilt opnemen, het ontwerp en de specificaties van de pick-and-place machine met uw fabrikant. Zij kunnen waardevolle inzichten geven in hun specifieke mogelijkheden en vereisten.

Neem altijd contact op met uw fabrikant voor hun specifieke fiducial-markeringseisen. Sommigen hebben mogelijk strenge richtlijnen op basis van hun apparatuur en processen, terwijl anderen mogelijk flexibeler zijn. Deze communicatie zorgt ervoor dat uw boardontwerp aansluit bij de mogelijkheden van de fabrikant, wat leidt tot de best mogelijke assemblageresultaten.

Reparatie en herwerking

Hoewel de primaire focus vaak ligt op de initiële assemblage, moet u rekening houden met de mogelijke behoefte aan toekomstige reparatie of herwerking. Zelfs als lokale fiducials niet absoluut noodzakelijk zijn voor de initiële plaatsing, kunnen ze in deze scenario's nuttig zijn. Lokale fiducials bieden nauwkeurige referentiepunten die cruciaal kunnen zijn bij het vervangen of opnieuw uitlijnen van componenten tijdens reparatieprocessen.

Fiducial gebruik op panelen en stencils

Fiducial-markeringen zijn essentieel, niet alleen op individuele PCB's, maar ook op panelen en stencils die in het fabricageproces worden gebruikt. Inzicht in hoe fiducials in deze contexten worden gebruikt, kan u helpen uw algehele PCB-productieproces te optimaliseren:

Op het paneel

PCB-panelen, die meerdere individuele boards bevatten, hebben hun eigen set fiducials nodig om het fabricageproces te begeleiden. Maar waar worden deze fiducials precies geplaatst en waarin verschillen ze van die op individuele boards?

Fiducials op panelen dienen om een oriëntatiemeting voor het hele paneel te bieden tijdens de fabricage. Ze worden meestal langs de paneelranden geplaatst in de buurt van de gereedschapsgaten, vergelijkbaar met hoe fiducials op individuele PCB's worden geplaatst. Deze plaatsing stelt fabricageapparatuur in staat om het hele paneel nauwkeurig uit te lijnen en te verwerken.

Interessant is dat panelfiducials dezelfde grootte kunnen hebben als typische boardfiducials. Deze consistentie kan het fabricageproces vereenvoudigen en de kans op fouten verkleinen. Het is echter belangrijk op te merken dat elke individuele board binnen het paneel nog steeds zijn eigen fiducials zal hebben voor uitlijning na loskoppeling van het paneel.

Op het stencil

Soldeerpasta stencils, gebruikt om soldeerpasta aan te brengen op PCB's vóór de plaatsing van componenten, vereisen ook fiducials voor een nauwkeurige uitlijning. Maar waarin verschillen stencil fiducials van die op PCB's?

Stencils hebben doorgaans drie globale fiducials, die overeenkomen met de plaatsing op de PCB. Deze overeenkomende plaatsing is cruciaal om ervoor te zorgen dat de soldeerpasta precies op de juiste plekken op de printplaat wordt aangebracht. In tegenstelling tot PCB's hebben stencils over het algemeen geen lokale fiducials nodig, omdat de globale fiducials voldoende uitlijning bieden voor het hele stencil.

De nauwkeurige uitlijning tussen het stencil en de PCB is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat soldeerpasta alleen op de beoogde gebieden wordt aangebracht. Zelfs een kleine verkeerde uitlijning kan leiden tot soldeerbruggen of onvoldoende soldeer op component pads, wat mogelijk assemblagefouten veroorzaakt.

Naast stencil fiducials met geautomatiseerde dosering

Hoewel stencils een veelgebruikte methode zijn voor het aanbrengen van soldeerpasta, is er een alternatieve aanpak die in bepaalde scenario's aan populariteit wint: geautomatiseerde pasta dosering. Hoe gebruikt deze methode fiducials, en wanneer is deze methode te verkiezen boven stencil toepassing?

Geautomatiseerde pasta doseermachines bieden een alternatief voor stencils, waarbij de fiducials van de PCB worden gebruikt voor de uitlijning. Deze aanpak elimineert de noodzaak voor stencil tooling en reiniging, wat vooral voordelig kan zijn voor prototype- of kleine productie runs.

Door de fiducials van de PCB direct te gebruiken, bereikt geautomatiseerde dosering een nauwkeurige plaatsing van de soldeerpasta zonder dat een apart stencil nodig is. Dit kan het productieproces stroomlijnen, vooral voor printplaten met frequente ontwerpwijzigingen of voor fabrikanten die te maken hebben met een grote verscheidenheid aan printplaat ontwerpen.

Geautomatiseerde dosering heeft doorgaans een lagere doorvoer in vergelijking met stencil toepassing. Terwijl een stencil soldeerpasta tegelijkertijd op alle pads kan aanbrengen, moet een geautomatiseerde dispenser pasta op elke pad afzonderlijk aanbrengen. Als gevolg hiervan heeft geautomatiseerde dosering vaak de voorkeur voor korte, snelle assemblage opdrachten waarbij de kortere setup tijd opweegt tegen de lagere applicatiesnelheid.

Veelgestelde vragen over fiducial plaatsing beantwoorden

Naarmate we dieper ingaan op de wereld van fiducial markers, komen er vaak verschillende vragen en zorgen naar voren. Laten we enkele van deze belangrijkste problemen aanpakken om u te helpen bij het navigeren door de complexiteit van fiducial plaatsing in uw PCB ontwerpen.

Component plaatsing nabij de rand

Een veelvoorkomende zorg is de plaatsing van componenten ver van fiducials en dicht bij de PCB rand. Waarom is dit een potentieel probleem, en hoe kan dit worden aangepakt?

Wanneer componenten ver van fiducials en dicht bij de printplaat rand worden geplaatst, is er een verhoogd risico op verkeerde uitlijning tijdens geautomatiseerde assemblage. Dit komt omdat hoe verder een component zich van de referentie fiducials bevindt, hoe groter de kans op cumulatieve fouten in de positionering.

Neem bijvoorbeeld een scenario waarin componenten worden geplaatst in een gebied ver van de dichtstbijzijnde fiducials, laten we het gebied “A” noemen. De assemblage apparatuur moet de juiste plaatsingspositie extrapoleren op basis van fiducials die relatief ver weg liggen. Elke kleine hoekafwijking of printplaat kromming kan over deze afstand worden vergroot, wat mogelijk leidt tot een minder nauwkeurige component plaatsing.

Overweeg de volgende strategieën om dit probleem te verzachten:

1. Pas indien mogelijk uw printplaat lay-out aan om kritieke componenten dichter bij fiducials te houden.
2. Voor grotere printplaten kunt u overwegen om lokale fiducials toe te voegen in de buurt van gebieden met een dichte component plaatsing, vooral als deze gebieden ver van globale fiducials liggen.
3. Bespreek dit probleem met uw assemblage bedrijf. Ze hebben mogelijk specifieke aanbevelingen op basis van de mogelijkheden van hun apparatuur.

Fine-Pitch componenten en fiducial telling

Een andere veelgestelde vraag draait om de schijnbare tegenstrijdigheid van het toevoegen van meer dan de aanbevolen drie fiducials bij het werken met fine-pitch componenten zoals BGA's of QFN's. Is dit niet in strijd met de regel “maximaal 3 fiducials”?

De sleutel tot het begrijpen hiervan is het onderscheid tussen globale en lokale fiducials. De regel “maximaal 3 fiducials” is over het algemeen van toepassing op globale fiducials, die worden gebruikt voor de algehele printplaat uitlijning. Lokale fiducials daarentegen worden gebruikt voor de nauwkeurige uitlijning van specifieke componenten en kunnen naar behoefte worden toegevoegd.

Voor fine-pitch componenten zoals BGA's of grote QFN's kan het toevoegen van lokale fiducials (meestal twee, diagonaal geplaatst) in de buurt van het component de plaatsingsnauwkeurigheid aanzienlijk verbeteren. Deze lokale fiducials werken in combinatie met de globale fiducials en bieden een extra referentiepunt voor de assemblage apparatuur om een nauwkeurige uitlijning van deze kritieke componenten te garanderen.

Dus, hoewel u misschien drie globale fiducials op uw printplaat hebt, kunt u nog steeds lokale fiducials toevoegen in de buurt van fine-pitch componenten zonder de algemene richtlijn te schenden. De sleutel is om lokale fiducials oordeelkundig te gebruiken en ze alleen toe te voegen waar ze een duidelijk voordeel bieden in termen van plaatsingsnauwkeurigheid.

Niet-vierkante PCB vormen

PCB ontwerpen zijn niet altijd eenvoudige rechthoeken. Hoe zit het met fiducial plaatsing op niet-vierkante PCB's, zoals T-vormige of L-vormige printplaten?

Niet-standaard PCB vormen vormen unieke uitdagingen voor fiducial plaatsing. Het belangrijkste principe om te onthouden is dat fiducials duidelijke referentiepunten moeten bieden voor alle delen van de printplaat. In het geval van T-vormige of L-vormige printplaten kan dit meer dan de standaard drie fiducials vereisen.

Overweeg voor deze niet-vierkante vormen de volgende aanpak:

1. Plaats fiducials aan de uiteinden van de printplaat vorm. Voor een T-vormige printplaat kan dit betekenen dat u fiducials plaatst aan de uiteinden van de “T” dwarsbalk en aan de onderkant van de stam.
2. Zorg ervoor dat elk belangrijk gebied van de printplaat zich binnen redelijke afstand van ten minste twee fiducials bevindt. Dit kan het toevoegen van extra fiducials vereisen bovenop de standaard drie.
3. Besteed speciale aandacht aan gebieden die uitsteken van het hoofdgedeelte van de printplaat. Deze gebieden kunnen baat hebben bij lokale fiducials als ze fine-pitch of kritieke componenten bevatten.

Vergeet niet dat het doel is om de assemblage apparatuur voldoende referentiepunten te bieden om de oriëntatie en positie van de printplaat nauwkeurig te bepalen, ongeacht de vorm. Hoewel dit meer dan drie fiducials vereist, is de verbeterde nauwkeurigheid bij de plaatsing van componenten de extra printplaat ruimte zeker waard.

In al deze gevallen – componenten nabij randen, componenten met fijne pitch en niet-standaard bordvormen – is communicatie met uw PCB-fabrikant en assemblagebedrijf cruciaal. Ze kunnen waardevolle inzichten bieden op basis van hun specifieke apparatuurmogelijkheden en kunnen aanvullende aanbevelingen hebben om de best mogelijke resultaten voor uw unieke PCB-ontwerp te garanderen.