Фидуциальные маркеры в проектировании и сборке печатных плат

При проектировании и сборке печатных плат достижение точности является серьезной задачей. Поскольку платы становятся все более сложными, как обеспечить точное размещение компонентов? Фидуциальные маркеры, на которые часто не обращают внимания, играют важную роль в этом процессе. Они служат ориентирами для автоматизированного сборочного оборудования и играют важную роль в производстве.

В этой статье рассматриваются лучшие практики, факторы проектирования и часто задаваемые вопросы о фидуциальных маркерах, которые помогут оптимизировать процесс проектирования и сборки печатных плат.

Лучшие практики размещения фидуциалов на печатных платах

Что касается размещения фидуциалов, то следование лучшим практикам может значительно повысить точность и эффективность процесса сборки печатных плат. Давайте рассмотрим важные факторы для оптимального размещения фидуциалов.

Количество фидуциарных компаний

Количество используемых точек привязки может существенно повлиять на точность сборки. Для достижения оптимальных результатов обычно рекомендуется использовать три глобальных фидуциала. Они обеспечивают наилучшие опорные точки для автоматизированного сборочного оборудования, чтобы правильно выровнять плату. Но что делать, если место на печатной плате ограничено?

В случаях, когда площадь платы ограничена, можно подумать, не достаточно ли меньшего количества фидуциалов. Хотя три - идеальный вариант, при необходимости можно обойтись и одним глобальным фидуциалом. Однако имейте в виду, что это может снизить общую точность размещения компонентов, особенно на больших платах.

Для локальных ориентиров, которые используются для точного выравнивания определенных компонентов, следует использовать не менее двух. Они должны быть расположены по диагонали на внешнем крае компонента для поверхностного монтажа. Такое диагональное расположение дает сборочному оборудованию две опорные точки для обеспечения точной ориентации и размещения компонента.

Интересно, что, хотя вы можете подумать, что большее количество фидуциалов приведет к повышению точности, это не всегда так. На самом деле, использование четырех фидуциалов может сбить с толку систему компьютерного зрения, используемую в автоматизированной сборке. Система опирается на сравнение положения фидуциалов с углом без фидуциалов, поэтому четвертый фидуциал может нарушить этот процесс.

Размещение

Расположение фидуцированных точек так же важно, как и их количество. Для достижения максимальной точности фидуциалы следует размещать по углам печатной платы. Такая стратегия размещения позволяет увеличить расстояние между фидуциалами, что повышает способность сборочного оборудования обнаруживать и корректировать даже небольшие угловые отклонения.

Глобальные фидуциалы должны располагаться на краю платы. Однако важно соблюдать минимальное расстояние в 0,3 дюйма (7,5 мм) между фидуциалом и краем платы, исключая зону зазора. Это гарантирует, что фидуциалы будут легко обнаруживаться сборочным оборудованием, и в то же время позволит избежать возможных проблем при обращении с платой и в производственных процессах.

При размещении фидуциалов крайне важно избегать расположения одинаковых фидуциалов рядом друг с другом. Это может запутать сборочное оборудование и потенциально привести к несоосности. Вместо этого стремитесь к четкому, ясному расположению, которое обеспечивает однозначные ориентиры.

На больших платах расстояние между фидуциалами становится еще более важным. Увеличение расстояния между фидуциалами улучшает обнаружение небольших угловых отклонений, что приводит к более точному размещению компонентов по всей поверхности платы.

Особые случаи

Конструкции печатных плат не всегда просты, и некоторые сценарии требуют особого внимания при размещении фидуциалов. Для неквадратных печатных плат, таких как Т-образные или L-образные платы, необходимо адаптировать стратегию размещения фидуциалов к конкретной геометрии. Главное, чтобы фидуциалы обеспечивали четкие ориентиры для всех областей платы, что может потребовать больше, чем стандартные три фидуциала.

При работе с двухслойными платами возникает дополнительное соображение. В таких случаях очень важно, чтобы фидуциалы верхнего и нижнего слоев были выровнены прямо друг над другом. Такое выравнивание помогает поддерживать согласованность между слоями и обеспечивает точное размещение компонентов на обеих сторонах платы.

Следуя этим передовым методам размещения фидуциалов, вы сможете значительно повысить точность и надежность процесса сборки печатных плат. Помните, что всегда стоит проконсультироваться с производителем печатных плат и сборочным предприятием, чтобы убедиться, что ваша стратегия размещения фидуциалов соответствует их специфическому оборудованию и процессам.

Правила дизайна и соображения по поводу фидуциальных маркеров

Хотя размещение маркеров имеет большое значение, дизайн самих фидуциальных маркеров не менее важен. Вот основные правила дизайна и соображения, которые помогут оптимизировать фидуциальные маркеры для достижения наилучших результатов сборки.

Форма

Когда речь идет о форме фидуциальных маркеров, главное - простота и универсальность. Круглые формы - это золотой стандарт для фидуциальных меток. Но почему именно круги? Ответ кроется в их симметричности и легкости распознавания автоматизированным сборочным оборудованием.

Несмотря на то, что современные машины становятся все более совершенными и могут распознавать различные формы, круглые фидуциалы остаются предпочтительным выбором для универсального распознавания. Это особенно важно, если ваши печатные платы могут собираться на разном оборудовании или на разных предприятиях. Использование круглых фидуциалов обеспечивает совместимость с широким спектром сборочных процессов.

Размер

Размер имеет значение, когда речь идет о фидуциальных маркерах, и найти правильный баланс крайне важно. Оптимальный размер фидуциального маркера обычно находится в диапазоне от 1 до 3 мм в диаметре. Этот диапазон обеспечивает хороший баланс между видимостью для сборочного оборудования и минимальным использованием пространства на плате.

Сам фидуциал - это только часть уравнения. Не менее важно поддерживать зону свободного пространства вокруг фидуцикала. Этот зазор должен иметь диаметр, аналогичный диаметру самого маркера, что, по сути, удваивает общую площадь, отведенную под каждый фидуциал. Некоторые производители даже предпочитают, чтобы площадь зазора в три раза превышала диаметр фидуциала.

Для отверстия в паяльной маске рекомендуется делать его вдвое больше, чем диаметр оголенной меди для фидуциала. Такое большее отверстие поможет обеспечить четкую видимость фидуциала на сборочном оборудовании даже при незначительных отклонениях в процессе производства.

Последовательность является ключевым фактором, когда речь идет о размерах фидуциалов на одной и той же плате. Как глобальные, так и локальные фидуциалы должны быть одинакового размера, с отклонениями не более 25 микрон. Такая согласованность помогает обеспечить надежное распознавание и выравнивание по всей плате.

Материал и клиренс

Материал, из которого изготовлены фидуциальные маркеры, должен быть таким же, как и остальные части платы, обычно это медь. Это обеспечивает единообразие внешнего вида и помогает предотвратить любые проблемы, которые могут возникнуть при использовании разных материалов.

Одним из важнейших аспектов разработки фидуцированных элементов является обеспечение того, чтобы маркер был свободен от паяльной маски и не был покрыт шелкографией. Голая медь фидуциала обеспечивает наилучший контраст для оптического распознавания сборочным оборудованием. Чтобы еще больше повысить контрастность, вокруг маркера следует оставить свободную область диаметром не менее двух раз больше размера площадки. Эта свободная область помогает сборочному оборудованию легко отличить фидуциал от окружающих элементов на плате.

Коэффициент контрастности

Эффективность фидуциальных меток в значительной степени зависит от их видимости для автоматизированного сборочного оборудования. Для этого очень важно обеспечить высокий коэффициент контрастности между фидуциальной меткой и фоном. Высокая контрастность позволяет оборудованию быстро и точно определять местоположение фидуциальных меток, что приводит к более точному размещению компонентов.

Защитный слой

Хотя фидуцирующие элементы не являются функциональными с точки зрения схемы, их целостность крайне важна для точной сборки. Чтобы сохранить различимость фидуциалов при обработке и обращении, рассмотрите возможность использования защитного слоя. Эффективными могут быть такие варианты, как никель/олово или HASL (выравнивание горячим воздушным припоем).

Толщина этого защитного слоя имеет большое значение. Обычно достаточно слоя толщиной от 5 до 10 микрон, но он не должен превышать 25 микрон. Этот защитный слой служит для предотвращения окисления или других форм потускнения, которые могут сбить с толку оптические системы, используемые в автоматизированной сборке.

Цель - обеспечить четкие, последовательные опорные точки, которые позволят автоматизированному оборудованию размещать компоненты с максимально возможной точностью.

Необходимы ли местные фидуции в современной сборке печатных плат?

В области сборки печатных плат необходимость локальных фидуциалов является предметом постоянных дискуссий. По мере развития технологий вы можете задаться вопросом: сохраняют ли локальные фидуциалы актуальность в современной сборке печатных плат? На самом деле ответ зависит от нескольких факторов.

Размер доски

Размер печатной платы важен для определения необходимости использования локальных фидуциалов. Для небольших плат часто достаточно глобальных фидуциалов, которые действуют как локальные из-за меньшей площади поверхности. В таких случаях расстояние между любой точкой на плате и глобальными координатами относительно невелико, что позволяет точно разместить компоненты на всей плате.

С увеличением размеров платы необходимость в локальных метках становится все более очевидной. Платы размером более 8×8 дюймов обычно требуют локальных координат для точного размещения, особенно при работе с компонентами с мелким шагом. Это связано с тем, что большие платы более подвержены незначительному искривлению или изменению размеров, что может привести к суммарным ошибкам при размещении компонентов по мере увеличения расстояния от глобальных координат.

Специфика компонентов

Типы компонентов, используемых на печатной плате, могут существенно повлиять на необходимость использования локальных фидуциалов. Компоненты с шагом менее 1,0 мм, особенно BGA с шагом менее 0,5 - 0,8 мм, обычно требуют локальных фидуциалов. Эти компоненты с мелким шагом требуют чрезвычайно точного размещения, и локальные фидуцилы обеспечивают дополнительные опорные точки, необходимые для достижения такого уровня точности.

Более крупные, централизованные SMD-чипы, такие как большие BGA, скорее всего, будут нуждаться в локальных ориентирах из-за большего риска несоосности. Даже небольшая угловая ошибка может привести к значительному смещению по краям этих крупных компонентов.

С другой стороны, компоненты с большим шагом (например, 1,0 мм и выше) могут не требовать локальных ориентиров. Современное сборочное оборудование часто может точно разместить такие компоненты, используя только глобальные фидуциалы, особенно на небольших платах.

Достижения в области технологий

За последние годы возможности машин для подбора и размещения изделий значительно расширились. Поскольку эти машины становятся все более точными, некоторые сборочные цеха отказываются от использования локальных координат, особенно на небольших платах. Эти современные станки часто могут достигать высокого уровня точности, используя только глобальные ориентиры, что снижает необходимость в дополнительных опорных точках.

Решение об отказе от локальных фидуциалов должно приниматься тщательно. При этом следует учитывать специфические возможности используемого сборочного оборудования, а также сложность конструкции вашей платы.

Производитель Связь

Учитывая разнообразие сборочного оборудования и процессов, общение с производителем имеет решающее значение. Прежде чем принимать решение о включении местных фидуциалов, обсудите с производителем конструкцию и технические характеристики машины для сборки и перемещения. Они могут предоставить ценную информацию о своих специфических возможностях и требованиях.

Всегда уточняйте у производителя конкретные требования к фидуциальным маркерам. Некоторые из них могут иметь строгие рекомендации, основанные на их оборудовании и процессах, в то время как другие могут быть более гибкими. Такое общение гарантирует, что дизайн вашей платы будет соответствовать возможностям производителя, что приведет к наилучшему результату сборки.

Ремонт и переделка

Хотя основное внимание часто уделяется первоначальному монтажу, учитывайте потенциальную необходимость в будущем ремонте или доработке. Даже если локальные датчики не являются абсолютно необходимыми для первоначального размещения, они могут быть полезны в этих сценариях. Локальные фидуциалы обеспечивают точные опорные точки, которые могут иметь решающее значение при замене или изменении положения компонентов в процессе ремонта.

Использование на панелях и трафаретах

Фидуциальные маркеры необходимы не только на отдельных печатных платах, но и на панелях и трафаретах, используемых в процессе производства. Понимание того, как фидуциалы используются в этих контекстах, поможет вам оптимизировать весь процесс производства печатных плат:

На панели

Панели печатных плат, содержащие несколько отдельных плат, требуют собственного набора реперных точек для управления процессом производства. Но где именно размещаются эти ориентиры и чем они отличаются от ориентиров на отдельных платах?

Фидуциалы на панелях служат для измерения ориентации всей панели при изготовлении. Обычно они размещаются по краям панели рядом с отверстиями для оснастки, подобно тому, как фидуциалы размещаются на отдельных печатных платах. Такое расположение позволяет производственному оборудованию точно выровнять и обработать всю панель.

Интересно, что фидуциалы панелей могут быть того же размера, что и типичные фидуциалы плат. Такое соответствие может упростить процесс производства и снизить вероятность ошибок. Однако важно отметить, что каждая отдельная плата в панели все равно будет иметь свои собственные фидуциалы для выравнивания после отсоединения от панели.

На трафарете

Трафареты для паяльной пасты, используемые для нанесения паяльной пасты на печатные платы перед размещением компонентов, также требуют фидуциалов для точного выравнивания. Но чем трафаретные фидуциалы отличаются от фидуциалов на печатных платах?

Трафареты обычно имеют три глобальные точки фиксации, соответствующие расположению на печатной плате. Такое расположение очень важно для обеспечения точного нанесения паяльной пасты на нужные участки платы. В отличие от печатных плат, для трафаретов обычно не требуются локальные фидуциалы, поскольку глобальные фидуциалы обеспечивают достаточное выравнивание всего трафарета.

Точное выравнивание трафарета и печатной платы имеет решающее значение для обеспечения нанесения паяльной пасты только в намеченные области. Даже незначительное несоответствие может привести к образованию мостиков припоя или недостаточному количеству припоя на площадках компонентов, что может стать причиной дефектов сборки.

За пределами трафаретных фидуциалов с автоматическим дозированием

Хотя трафареты являются распространенным методом нанесения паяльной пасты, существует альтернативный подход, который набирает обороты в некоторых сценариях: автоматическое дозирование пасты. Как в этом методе используются фидуциалы, и в каких случаях он может быть предпочтительнее нанесения трафаретов?

Автоматические машины для нанесения пасты предлагают альтернативу трафаретам, используя для выравнивания фидуцирующие элементы печатной платы. Такой подход устраняет необходимость в изготовлении и очистке трафаретов, что может быть особенно выгодно для прототипов или малосерийного производства.

Использование фидуциалов печатной платы напрямую позволяет автоматическому дозированию добиться точной укладки паяльной пасты без необходимости использования отдельного трафарета. Это позволяет упростить производственный процесс, особенно для плат с частыми изменениями дизайна или для производителей, работающих с широким спектром плат.

Автоматизированное дозирование обычно имеет меньшую производительность по сравнению с трафаретным нанесением. В то время как трафарет может наносить паяльную пасту на все площадки одновременно, автоматический дозатор должен наносить пасту на каждую площадку отдельно. В результате автоматическое дозирование часто предпочтительнее для короткосерийных, быстро оборачиваемых сборочных работ, где сокращение времени настройки перевешивает более низкую скорость нанесения.

Ответы на распространенные вопросы о размещении фидуциалов

По мере углубления в мир фидуциальных маркеров часто возникает несколько общих вопросов и проблем. Давайте рассмотрим некоторые из этих ключевых вопросов, чтобы помочь вам сориентироваться в сложностях размещения фидуциальных маркеров в ваших проектах печатных плат.

Размещение компонентов у края

Часто возникает проблема размещения компонентов вдали от фидуциалов и близко к краю печатной платы. Почему это потенциальная проблема и как ее решить?

Если компоненты размещаются далеко от контрольных точек и близко к краю платы, возрастает риск перекоса при автоматизированной сборке. Это связано с тем, что чем дальше компонент находится от опорных точек, тем больше вероятность совокупных ошибок позиционирования.

Например, рассмотрим сценарий, в котором компоненты размещаются в области, удаленной от ближайших координат, назовем ее областью "A". Сборочное оборудование должно экстраполировать правильную позицию размещения на основе фидуцированных точек, которые находятся на относительно большом расстоянии. Любое незначительное угловое смещение или коробление платы может быть увеличено на таком расстоянии, что может привести к менее точному размещению компонентов.

Чтобы смягчить эту проблему, рассмотрите следующие стратегии:

1. Если возможно, измените разводку платы, чтобы критически важные компоненты располагались ближе к фидуциалам.
2. Для больших плат следует рассмотреть возможность добавления локальных точек привязки в местах плотного размещения компонентов, особенно если эти области находятся далеко от глобальных точек привязки.
3. Обсудите этот вопрос с монтажной организацией. У них могут быть конкретные рекомендации, основанные на возможностях их оборудования.

Компоненты с мелким шагом и счетчик фидуциев

Другой распространенный вопрос связан с кажущимся противоречием, когда при работе с компонентами с мелким шагом, такими как BGA или QFN, необходимо добавлять больше трех фидуциалов. Не нарушает ли это правило "максимум 3 фидуциала"?

Ключевым моментом в понимании этого является различие между глобальными и локальными фидуциалами. Правило "максимум 3 фидуциала" обычно применяется к глобальным фидуциалам, которые используются для общего выравнивания платы. Локальные реперы, напротив, используются для точного выравнивания конкретных компонентов и могут быть добавлены по мере необходимости.

Для компонентов с малым шагом, таких как BGA или большие QFN, добавление локальных фидуциалов (обычно двух, расположенных по диагонали) вблизи компонента может значительно повысить точность размещения. Эти локальные ориентиры работают в сочетании с глобальными ориентирами, обеспечивая дополнительную точку отсчета для сборочного оборудования, чтобы гарантировать точное выравнивание этих критически важных компонентов.

Таким образом, хотя на вашей плате может быть три глобальных фидуциала, вы можете добавить локальные фидуциалы вблизи компонентов с мелким шагом, не нарушая общих рекомендаций. Главное - использовать локальные фидуциалы с умом, добавляя их только там, где они дают явное преимущество с точки зрения точности размещения.

Неквадратные формы печатных плат

Конструкции печатных плат не всегда представляют собой простые прямоугольники. Как быть с размещением фидуциалов на неквадратных печатных платах, таких как Т-образные или L-образные платы?

Нестандартные формы печатных плат создают уникальные проблемы для размещения фидуциалов. Главный принцип, который следует помнить, заключается в том, что фидуциалы должны обеспечивать четкие ориентиры для всех областей платы. В случае Т-образных или L-образных плат для этого может потребоваться больше, чем стандартные три фидуциала.

Для этих неквадратных форм используйте следующий подход:

1. Разместите контрольные точки в крайних точках формы доски. Для Т-образной доски это может означать размещение контрольных точек на концах перекладины "Т" и в нижней части ножки.
2. Убедитесь, что каждый значимый участок доски находится в разумной близости от как минимум двух фидуциалов. Это может потребовать добавления дополнительных фидуциалов сверх стандартных трех.
3. Обратите особое внимание на области, выступающие из основной части платы. В этих областях могут быть полезны локальные фидуциалы, если они содержат мелкошаговые или критические компоненты.

Помните, что цель состоит в том, чтобы обеспечить сборочное оборудование достаточным количеством опорных точек для точного определения ориентации и положения платы, независимо от ее формы. Хотя для этого может потребоваться больше трех фидуциалов, повышение точности размещения компонентов вполне оправдывает дополнительную площадь платы.

Во всех этих случаях - компоненты вблизи краев, компоненты с мелким шагом и нестандартные формы плат - общение с производителем и сборщиком печатных плат имеет решающее значение. Они могут предоставить ценную информацию, основанную на возможностях их конкретного оборудования, и могут дать дополнительные рекомендации для обеспечения наилучших результатов для вашего уникального дизайна печатной платы.