Marcadores Fiduciais na Conceção e Montagem de PCB

Na conceção e montagem de PCB, alcançar a precisão é um desafio significativo. À medida que as placas se tornam mais complexas, como podemos garantir que os componentes são colocados com exatidão? Os marcadores fiduciais, muitas vezes negligenciados, são importantes para este processo. Funcionam como pontos de orientação para o equipamento de montagem automatizado, desempenhando um papel vital no fabrico.

Este artigo cobre as melhores práticas, factores de design e perguntas frequentes sobre marcadores fiduciais para ajudar a otimizar o seu design de PCB e o processo de montagem.

Melhores Práticas para a Colocação de Fiduciais em PCBs

Relativamente à colocação de fiduciais, seguir as melhores práticas pode aumentar significativamente a precisão e a eficiência do seu processo de montagem de PCB. Vamos examinar os factores importantes para uma colocação óptima do fiducial.

Número de Fiduciários

O número de fiduciais utilizados pode fazer uma diferença substancial na precisão da montagem. Para obter resultados óptimos, recomenda-se geralmente a utilização de três fiduciais globais. Estes fornecem os melhores pontos de referência para que o equipamento de montagem automatizado alinhe corretamente a placa. Mas e se o espaço for escasso na sua placa de circuito impresso?

Nos casos em que o espaço do quadro é limitado, pode perguntar-se se um número menor de fiduciais seria suficiente. Embora três seja o ideal, é possível usar pelo menos um fiducial global, se necessário. No entanto, tenha em mente que isso pode reduzir a precisão geral da colocação de componentes, especialmente em placas maiores.

Para fiduciais locais, que são utilizados para o alinhamento exato de componentes específicos, a regra geral é utilizar pelo menos dois. Estes devem ser colocados diagonalmente no bordo exterior do componente de montagem em superfície. Esta colocação diagonal fornece ao equipamento de montagem dois pontos de referência para assegurar uma orientação e colocação exactas do componente.

Curiosamente, embora se possa pensar que um maior número de fiduciais conduziria a uma maior precisão, nem sempre é esse o caso. De facto, a utilização de quatro fiduciais pode confundir o sistema de visão por computador utilizado na montagem automatizada. O sistema baseia-se na comparação das posições dos fiduciais com um canto sem fiduciais, pelo que um quarto fiducial pode perturbar este processo.

Colocação

A colocação dos fiduciais é tão crucial como o seu número. Para maximizar a precisão, os fiduciais devem ser colocados nos cantos da placa de circuito impresso. Esta estratégia de colocação maximiza a distância entre os fiduciais, o que aumenta a capacidade do equipamento de montagem para detetar e corrigir mesmo pequenos desvios angulares.

Os fiduciais globais devem ser posicionados na borda da placa. No entanto, é importante manter uma distância mínima de 0,3 polegadas (7,5 mm) entre o fiducial e a borda da placa, excluindo a área livre. Isto assegura que os fiduciais são facilmente detectáveis pelo equipamento de montagem, evitando potenciais problemas com o manuseamento da placa e com os processos de fabrico.

É crucial evitar posicionar fiduciais idênticos uns ao lado dos outros ao colocar fiduciais. Isto pode confundir o equipamento de montagem e potencialmente levar a um desalinhamento. Em vez disso, procure um posicionamento claro e distinto que forneça pontos de referência inequívocos.

Em placas maiores, a distância entre os fiduciais torna-se ainda mais crítica. Uma maior separação entre os fiduciais melhora a deteção de pequenos desvios angulares, levando a uma colocação mais precisa dos componentes em toda a superfície da placa.

Casos especiais

Os projectos de PCB nem sempre são simples e certos cenários requerem uma consideração especial no que diz respeito à colocação do fiducial. Para PCBs não quadradas, tais como placas em forma de T ou em forma de L, terá de adaptar a sua estratégia de colocação de fiduciais à geometria específica. A chave é garantir que os fiduciais forneçam pontos de referência claros para todas as áreas da placa, o que pode exigir mais do que os três fiduciais padrão.

Quando se trabalha com placas de 2 camadas, entra em jogo uma consideração adicional. Nestes casos, é crucial garantir que os fiduciais das camadas superior e inferior estão alinhados diretamente um por cima do outro. Este alinhamento ajuda a manter a consistência entre as camadas e garante a colocação exacta dos componentes em ambos os lados da placa.

Seguir estas práticas recomendadas para a colocação de fiduciais pode ajudá-lo a melhorar significativamente a precisão e a fiabilidade do seu processo de montagem de PCB. Lembre-se de que é sempre aconselhável consultar o fabricante da placa de circuito impresso e a empresa de montagem para garantir que a sua estratégia de colocação de fiduciais se alinha com os seus equipamentos e processos específicos.

Regras de desenho e considerações para marcadores fiduciais

Embora a colocação seja essencial, o design dos próprios marcadores fiduciais é igualmente importante. Aqui estão as principais regras de design e considerações que podem ajudar a otimizar os seus marcadores fiduciais para obter os melhores resultados de montagem possíveis.

Forma

Quando se trata da forma dos marcadores fiduciais, a simplicidade e a universalidade são fundamentais. As formas circulares são o padrão de ouro para as marcações fiduciais. Mas porquê círculos? A resposta reside na sua simetria e na facilidade de reconhecimento pelo equipamento de montagem automatizado.

Embora as máquinas modernas se tenham tornado cada vez mais sofisticadas e possam reconhecer várias formas, os fiduciais circulares continuam a ser a escolha preferida para o reconhecimento universal. Isto é particularmente importante se as suas PCBs puderem ser montadas utilizando diferentes equipamentos ou em diferentes instalações. A utilização de fiduciais circulares garante a compatibilidade com uma vasta gama de processos de montagem.

Tamanho

O tamanho é importante quando se trata de marcadores fiduciais, e encontrar o equilíbrio correto é crucial. O tamanho ideal para um marcador fiducial situa-se normalmente entre 1 e 3 mm de diâmetro. Esta gama proporciona um bom equilíbrio entre a visibilidade para o equipamento de montagem e a utilização mínima de espaço no quadro.

O fiducial em si é apenas parte da equação. É igualmente importante manter uma área livre à volta do fiducial. Esta área livre deve ter um diâmetro semelhante ao do próprio marcador, essencialmente duplicando a área total dedicada a cada fiducial. Alguns fabricantes até preferem uma área livre com três vezes o diâmetro do fiducial.

Para a abertura da máscara de solda, uma boa regra geral é fazer com que ela tenha o dobro do diâmetro do cobre nu para o fiducial. Esta abertura maior ajuda a garantir que o fiducial seja claramente visível para o equipamento de montagem, mesmo que haja pequenas variações no processo de fabrico.

A consistência é fundamental quando se trata de tamanhos de fiduciais na mesma placa. Tanto os fiduciais globais como os locais devem ser consistentes em termos de tamanho, com variações não superiores a 25 mícrones. Esta consistência ajuda a garantir um reconhecimento e alinhamento fiáveis em toda a placa.

Material e apuramento

O material utilizado para os marcadores fiduciais deve ser o mesmo que o resto da placa, normalmente cobre. Isto assegura a consistência do aspeto e ajuda a evitar quaisquer problemas que possam surgir com a utilização de materiais diferentes.

Um aspeto crucial da conceção do fiducial é garantir que o marcador não tem máscara de solda e não está coberto por serigrafia. O cobre nu do fiducial proporciona o melhor contraste para o reconhecimento ótico pelo equipamento de montagem. Para melhorar ainda mais este contraste, mantenha uma área livre à volta do marcador com um diâmetro de, pelo menos, duas vezes o tamanho da almofada. Esta área livre ajuda o equipamento de montagem a distinguir facilmente o fiducial das caraterísticas circundantes na placa.

Relação de contraste

A eficácia dos marcadores fiduciais depende em grande medida da sua visibilidade para o equipamento de montagem automatizado. Para tal, é crucial assegurar um elevado rácio de contraste entre a marca fiducial e o fundo. Este elevado contraste facilita ao equipamento a localização rápida e exacta dos fiduciais, conduzindo a uma colocação mais precisa dos componentes.

Camada de proteção

Embora os fiduciais não sejam funcionais em termos do circuito, a sua integridade é crucial para uma montagem precisa. Para manter a capacidade de distinção dos fiduciais durante o processamento e manuseamento, considere a utilização de uma camada protetora. Opções como o revestimento de níquel/estanho ou HASL (Hot Air Solder Leveling) podem ser eficazes.

A espessura desta camada protetora é importante. Uma camada entre 5 e 10 microns é normalmente suficiente, mas não deve exceder 25 microns. Esta camada protetora serve para evitar a oxidação ou outras formas de manchamento que possam confundir os sistemas ópticos utilizados na montagem automatizada.

O objetivo é fornecer pontos de referência claros e consistentes que permitam ao equipamento automatizado colocar componentes com a maior precisão possível.

As fiduciais locais são necessárias na montagem moderna de PCB?

No domínio da montagem de PCB, a necessidade de fiduciais locais é um tema de discussão permanente. À medida que a tecnologia avança, pode perguntar-se: os fiduciais locais ainda são relevantes na montagem moderna de PCB? Na verdade, a resposta depende de vários factores.

Tamanho do quadro

O tamanho da sua placa de circuito impresso é importante para determinar a necessidade de fiduciais locais. Para placas pequenas, os fiduciais globais podem muitas vezes ser suficientes, actuando como locais devido à menor área de superfície. Nestes casos, a distância entre qualquer ponto da placa e os fiduciais globais é relativamente pequena, permitindo uma colocação precisa dos componentes em toda a placa.

À medida que os tamanhos das placas aumentam, a necessidade de fiduciais locais torna-se mais pronunciada. As placas com mais de 8×8 polegadas requerem geralmente fiduciais locais para uma colocação precisa, especialmente quando se trata de componentes de passo fino. Isto deve-se ao facto de as placas maiores serem mais susceptíveis a ligeiras deformações ou variações dimensionais, o que pode levar a erros cumulativos na colocação de componentes à medida que a distância dos fiduciais globais aumenta.

Especificidades dos componentes

Os tipos de componentes que está a utilizar na sua PCB podem influenciar significativamente a necessidade de fiduciais locais. Os componentes com um passo inferior a 1,0 mm, especialmente os BGAs com passos inferiores a 0,5 mm - 0,8 mm, requerem geralmente fiduciais locais. Estes componentes de passo fino exigem uma colocação extremamente precisa, e os fiduciais locais fornecem os pontos de referência adicionais necessários para atingir este nível de precisão.

Chips SMD maiores e centralizados, como BGAs maiores, têm maior probabilidade de precisar de fiduciais locais devido ao maior risco de desalinhamento. Mesmo um pequeno erro angular pode resultar num desalinhamento significativo nas extremidades destes componentes maiores.

Por outro lado, os componentes com um passo maior (por exemplo, 1,0 mm e superior) podem não necessitar de fiduciais locais. O equipamento de montagem moderno pode frequentemente colocar estes componentes com precisão utilizando apenas fiduciais globais, especialmente em placas mais pequenas.

Avanços na tecnologia

As capacidades das máquinas pick-and-place melhoraram drasticamente nos últimos anos. À medida que estas máquinas se tornam mais precisas, algumas oficinas de montagem estão a afastar-se dos fiduciais locais, especialmente em placas mais pequenas. Estas máquinas avançadas podem frequentemente atingir elevados níveis de precisão utilizando apenas fiduciais globais, reduzindo a necessidade de pontos de referência adicionais.

A decisão de omitir os fiduciais locais deve ser tomada com cuidado. Devem ser tidas em conta as capacidades específicas do equipamento de montagem utilizado, bem como a complexidade da conceção da placa.

Comunicação com o fabricante

Dada a variabilidade dos equipamentos e processos de montagem, a comunicação com o seu fabricante é crucial. Antes de decidir se deve incluir fiduciais locais, discuta o projeto e as especificações da máquina de recolha e colocação com o seu fabricante. Este pode fornecer informações valiosas sobre as suas capacidades e requisitos específicos.

Verifique sempre com o seu fabricante os requisitos específicos do marcador fiducial. Alguns podem ter diretrizes rigorosas com base no seu equipamento e processos, enquanto outros podem ser mais flexíveis. Esta comunicação assegura que o design da sua placa se alinha com as capacidades do fabricante, conduzindo aos melhores resultados de montagem possíveis.

Reparação e retrabalho

Embora o foco principal seja muitas vezes a montagem inicial, considere a necessidade potencial de reparações ou retrabalhos futuros. Mesmo que os fiduciais locais não sejam absolutamente necessários para a colocação inicial, eles podem ser benéficos nesses cenários. Os fiduciais locais fornecem pontos de referência precisos que podem ser cruciais ao substituir ou realinhar componentes durante os processos de reparação.

Utilização fiducial em painéis e estênceis

Os marcadores fiduciais são essenciais não só em PCB individuais, mas também em painéis e stencils utilizados no processo de fabrico. Compreender como os fiduciais são utilizados nestes contextos pode ajudá-lo a otimizar o seu processo global de produção de PCB:

No painel

Os painéis PCB, que contêm várias placas individuais, requerem o seu próprio conjunto de fiduciais para orientar o processo de fabrico. Mas onde é que estes fiduciais são colocados exatamente e como é que diferem dos que se encontram nas placas individuais?

Os fiduciais nos painéis servem para fornecer uma medida de orientação para todo o painel durante o fabrico. São normalmente colocados ao longo dos bordos do painel, perto dos orifícios das ferramentas, à semelhança da forma como os fiduciais são colocados em PCBs individuais. Esta colocação permite que o equipamento de fabrico alinhe e processe com precisão todo o painel.

É interessante notar que os fiduciais do painel podem ter o mesmo tamanho que os fiduciais típicos da placa. Esta consistência pode simplificar o processo de fabrico e reduzir a possibilidade de erros. No entanto, é importante notar que cada placa individual dentro do painel continuará a ter os seus próprios fiduciais para alinhamento após a separação do painel.

No Stencil

Os stencils de pasta de solda, utilizados para aplicar pasta de solda a PCBs antes da colocação de componentes, também requerem fiduciais para um alinhamento exato. Mas em que é que os fiduciais do stencil diferem dos das PCB?

Os stencils têm normalmente três fiduciais globais, que correspondem à colocação na placa de circuito impresso. Esta colocação correspondente é crucial para garantir que a pasta de solda é aplicada com precisão nas áreas corretas da placa. Ao contrário das placas de circuito impresso, os stencils geralmente não requerem fiduciais locais, uma vez que os fiduciais globais fornecem alinhamento suficiente para todo o stencil.

O alinhamento exato entre o stencil e a PCB é fundamental para garantir que a pasta de solda é aplicada apenas nas áreas pretendidas. Mesmo um ligeiro desalinhamento pode levar a pontes de solda ou solda insuficiente nas almofadas dos componentes, causando potencialmente defeitos de montagem.

Para além dos fiduciais em estêncil com distribuição automática

Embora os stencils sejam um método comum de aplicação de pasta de solda, existe uma abordagem alternativa que está a ganhar força em determinados cenários: a distribuição automática de pasta. Como é que este método utiliza os fiduciais e quando é que pode ser preferível à aplicação de stencil?

As máquinas automáticas de distribuição de pasta oferecem uma alternativa aos stencils, utilizando os fiduciais da PCB para alinhamento. Esta abordagem elimina a necessidade de ferramentas de estêncil e de limpeza, o que pode ser particularmente vantajoso para protótipos ou produções de baixo volume.

A utilização direta dos fiduciais da placa de circuito impresso faz com que a distribuição automática consiga uma colocação precisa da pasta de solda sem a necessidade de um stencil separado. Isto pode simplificar o processo de produção, especialmente para placas com alterações frequentes de design ou para fabricantes que lidam com uma grande variedade de designs de placas.

A distribuição automatizada tem normalmente um rendimento inferior ao da aplicação de stencil. Enquanto um stencil pode aplicar pasta de solda em todas as almofadas simultaneamente, um dispensador automático deve aplicar pasta em cada almofada individualmente. Como resultado, a dosagem automática é frequentemente preferida para trabalhos de montagem de curta duração e de rotação rápida, em que o tempo de configuração reduzido compensa a velocidade de aplicação mais lenta.

Responder a perguntas comuns sobre a colocação de fiduciais

À medida que nos aprofundamos no mundo dos marcadores fiduciais, surgem frequentemente várias questões e preocupações comuns. Vamos abordar algumas destas questões-chave para o ajudar a navegar pelas complexidades da colocação de fiduciais nos seus projectos de PCB.

Colocação de componentes perto da borda

Uma preocupação frequente é a colocação de componentes longe dos fiduciais e perto da borda da placa de circuito impresso. Porque é que isto é um problema potencial e como pode ser resolvido?

Quando os componentes são colocados longe dos fiduciais e perto da borda da placa, há um risco maior de desalinhamento durante a montagem automatizada. Isto deve-se ao facto de quanto mais longe um componente estiver dos fiduciais de referência, maior é o potencial para erros cumulativos no posicionamento.

Por exemplo, considere um cenário em que os componentes são colocados numa área longe dos fiduciais mais próximos, chamemos-lhe área "A". O equipamento de montagem tem de extrapolar a posição correta de colocação com base em fiduciais que estão relativamente distantes. Qualquer ligeiro desalinhamento angular ou deformação da placa pode ser ampliado ao longo desta distância, levando potencialmente a uma colocação menos precisa dos componentes.

Para atenuar este problema, considere as seguintes estratégias:

1. Se possível, ajuste o layout da placa para manter os componentes críticos mais próximos dos fiduciais.
2. Para placas maiores, considere adicionar fiduciais locais perto de áreas com colocação densa de componentes, especialmente se essas áreas estiverem longe dos fiduciais globais.
3. Discuta esta preocupação com a sua empresa de montagem. Eles podem ter recomendações específicas com base nas capacidades do seu equipamento.

Componentes de passo fino e contagem fiducial

Outra questão comum gira em torno da aparente contradição de adicionar mais do que os três fiduciais recomendados quando se trata de componentes de passo fino, como BGAs ou QFNs. Isto não viola a regra do "máximo de 3 fiduciais"?

A chave para entender isso é diferenciar entre fiduciais globais e locais. A regra do "máximo de 3 fiduciais" aplica-se geralmente aos fiduciais globais, que são utilizados para o alinhamento geral da placa. Os fiduciais locais, por outro lado, são usados para o alinhamento preciso de componentes específicos e podem ser adicionados conforme necessário.

Para componentes de passo fino, como BGAs ou QFNs grandes, adicionar fiduciais locais (normalmente dois, colocados na diagonal) perto do componente pode melhorar significativamente a precisão da colocação. Estes fiduciais locais funcionam em conjunto com os fiduciais globais, fornecendo um ponto de referência adicional para o equipamento de montagem para garantir o alinhamento exato destes componentes críticos.

Assim, embora possa ter três fiduciais globais na sua placa, pode ainda adicionar fiduciais locais perto de componentes de passo fino sem violar a diretriz geral. A chave é usar os fiduciais locais de forma criteriosa, adicionando-os apenas quando eles oferecem um benefício claro em termos de precisão de posicionamento.

Formas de PCB não quadradas

Os desenhos de PCB nem sempre são simples rectângulos. O que dizer da colocação de fiduciais em PCB não quadradas, como as placas em forma de T ou em forma de L?

As formas não padronizadas de PCB apresentam desafios únicos para a colocação de fiduciais. O princípio chave a ter em conta é que os fiduciais devem fornecer pontos de referência claros para todas as áreas da placa. No caso de placas em forma de T ou de L, isto pode exigir mais do que os três fiduciais padrão.

Para estas formas não quadradas, considere a seguinte abordagem:

1. Coloque os pontos de referência nas extremidades da forma da prancha. Para uma prancha em forma de T, isto pode significar colocar fiduciais nas extremidades da barra transversal do "T" e na parte inferior da haste.
2. Assegurar que todas as áreas significativas do quadro estejam dentro de uma proximidade razoável de pelo menos dois fiduciais. Para tal, poderá ser necessário acrescentar mais fiduciais para além dos três habituais.
3. Preste especial atenção às áreas que se destacam do corpo principal da placa. Estas áreas podem beneficiar de fiduciais locais se contiverem componentes de passo fino ou críticos.

Lembre-se, o objetivo é fornecer ao equipamento de montagem pontos de referência suficientes para determinar com precisão a orientação e a posição da placa, independentemente da sua forma. Embora isto possa exigir mais do que três fiduciais, a precisão melhorada na colocação de componentes vale bem o espaço adicional da placa.

Em todos estes casos - componentes perto de arestas, componentes de ajuste fino e formas de placa não normalizadas - a comunicação com o fabricante da placa de circuito impresso e com a empresa de montagem é crucial. Estes podem fornecer informações valiosas com base nas capacidades específicas do seu equipamento e podem ter recomendações adicionais para garantir os melhores resultados possíveis para o seu projeto de PCB exclusivo.