Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
PCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów

ghost666 29 Maj 2019 08:23 3495 12
  • Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów
    Wydawałoby się, iż tak trywialna kwestia, jak dołączanie ścieżek do pól lutowniczych elementów SMD nie jest niczym skomplikowanym. Jeśli myślimy o masowej produkcji naszego projektu, a przynajmniej o jego montażu automatycznym i lutowaniu w piecu, jest szereg kwestii, których znajomość pozwoli nam zaoszczędzić sobie problemów podczas takiego montażu. W poprzedniej części mówiliśmy o dołączaniu sygnałów do padów z pomocą przelotek, teraz zajmiemy się stykiem zwykłej, planarnej ścieżki i pada.

    Zazwyczaj mówiąc o elementach SMD, mamy na myśli duże układy scalone w miniaturowych obudowach z wieloma wyprowadzeniami, np. w obudowach BGA czyt QFN. w tym artykule pochylimy się jednak nad o wiele prostszymi elementami - prostymi układami pasywnymi w obudowie typu chip - rezystorami, kondensatorami i indukcyjnościami. Przykład takiego elementu pokazano po lewej stronie. Widzimy, że element ten jest przekrzywiony - dlaczego przemieścił się on podczas lutowania w piecu? O tym dowiedzieć można się z poniższego artykułu.

    Elementy pasywne w obudowach SMD mogą przemieszczać się na płytce drukowanej w dwóch płaszczyznach. Jednej - w płaszczyźnie płytki i drugiej w płaszczyźnie prostopadłej do płytki (powstają wtedy tzw. nagrobki, czyli elementy SMD, które ustawiły się na sztorc). W pierwszej kolejności zajmijmy się kwestią elementów przekręcających się w płaszczyźnie PCB, jak pokazany powyżej kondensator.

    Przyczyn tego rodzaju migracji elementów może być wiele. Jedną z nich jest nierównomierne nagrzewanie się lutowia na padach, bądź jego migracja z jednego pada w inne miejsce. W przypadku pokazanym powyżej winna jest niezaślepiona przelotka na jednym z padów - spowodowała ona odpływ spoiwa z pola lutowniczego, przez co napięcie powierzchniowe roztopionego lutowia na drugim padzie spowodowało przemieszczenie elementu.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów
    Nie tylko przelotki na padach mogą jednakże powodować tego rodzaju ruch lutowia. Ułożenie ścieżek dołączonych do pola także może mieć ogromne znaczenie. Asymetryczne ścieżki doprowadzić mogą do niejednorodnej migracji lutowia w piecu, przez co element przemieści się wraz ze spoiwem. Jest to szczególnie istotne podczas lutowania płytek bez maski antylutowniczej (solder mask). Jak widzimy na ilustracji po prawej stronie - asymetryczne ścieżki (lewa strona obrazka) powodują, że wraz z migracją lutowia po ścieżkach (zaznaczone strzałkami) przemieści się także lutowany element elektroniczny.

    Po prawej stronie ilustracji widzimy natomiast preferowane sposoby podłączania ścieżek. W idealnych warunkach, do każdego pola lutowniczego podłączona powinna być pojedyncza ścieżka, odchodząca od niego prostopadle po zewnętrznej lub wewnętrznej stronie. Pamiętajmy, aby ścieżki były symetryczne. Dozwolone są także inne sposoby prowadzenia ścieżek, przykładowe akceptowalne ich ułożenie pokazane jest na ilustracji poniżej:

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów


    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów
    Symetria jest ważna nie tylko w kształcie podłączenia - miejscu styku ścieżki z polem lutowniczym - ale także w wielkości samych ścieżek. Wynika to z faktu, iż jednym z czynników, przyczyniających się do migracji elementów jest różnica temperatur pól lutowniczych. Dzieje się tak zwłaszcza, gdy do elementu z jednej strony podłączona jest szeroka ścieżka, lub wręcz wylewka masy. W przypadku rysowanych automatycznie polygonów, większość programów EDA dodaje automatycznie cieńsze ścieżki, łączące pad z wylewką (patrz obrazek z lewej strony), jednakże gdy łączymy szeroką ścieżkę z padem już tak nie jest.

    Ścieżki łączące się z typowymi padami SMD nie powinny być zasadniczo szersze niż 10 milsów. Jeśli istnieje konieczność przeniesienia większego prądu, przez to połączenie, możemy dodać kilka równoległych ścieżek o tej szerokości, jak pokazano na poniższej ilustracji. Co do zasady, długość przewężonych ścieżek nie powinna być mniejsza niż 10 milsów od krawędzi pola lutowniczego do większej ścieżki.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów


    Jeśli jednak nie możemy z jakiegoś powodu poprowadzić w ten sposób ścieżek, to upewnijmy się, iż ścieżki po obu stronach elementu mają podobną szerokość i geometrię, aby temperatura na obu polach lutowanego elementu rozkładała się w symetryczny sposób.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów
    Inną przyczyną nierównomiernego rozkładu temperatury może być występowanie dużej pojemności cieplnej w okolicy jednego z padów. Jak widzimy na obrazku po lewej stronie, po umieszczeniu obok niewielkiego elementu SMD dużego układu/elementu, który ma znacznie większą pojemność, pola lutownicze rozgrzewają się niejednokrotnie. Jak widać na obrazku - tutaj nie doprowadziło to do przemieszczenia się elementu na PCB lateralnie, a do jego powstania.

    Taki ruch elementów na PCB ma podobne przyczyny jak przesuwanie się elementów w płaszczyźnie PCB - niejednorodne rozgrzewanie się pól lutowniczych, co sprawia, że siła napięcia powierzchniowego roztopionego spoiwa na jednym z padów jest dużo silniejsza niż na drugim i powoduje postawienie elementu "na sztorc". Na filmie poniżej widzimy, jak nierównomierne rozmieszczenie pasty lutowniczej powoduje "wstanie" jednego z lutowanych oporników:



    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów
    Innym czynnikiem, jaki może przyczynić się do "wstawania" elementów SMD jest niepoprawnie nałożona warstwa antylutownicza. Zazwyczaj myśląc o PCB, pomijamy jej grubość, ale jeżeli - tak jak pokazano po prawej stronie - występuje zgrubienie farby soldermaski wokół pól lutowniczych, to występuje ryzyko, że elementy będą wstawać. Ogólniej mówiąc, to jeżeli warstwa ta będzie zbyt gruba, to lutowanie w piecu elementów SMD obarczone jest większym ryzykiem powstawania defektów tego typu.

    Na wstawanie elementów elektronicznych wpływ ma też asymetryczna wielkość pól lutowniczych. Jak pokazano na poniższej ilustracji, jeśli na jednym z pól lutowniczych znajdzie się więcej pasty, to po jej roztopieniu siła generowana przez napięcie powierzchniowe będzie nierówna i spowoduje powstanie elementu.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 6 - dołączanie ścieżek do padów


    Jak pokazują powyższe przykłady, niuanse projektu PCB, takie jak szerokość ścieżek czy sposób połączenia ich z polami lutowniczymi elementów SMD, mogą mieć istotne znaczenie dla powodzenia masowej produkcji układów elektronicznych. Jeśli chcemy, by nasze układy montowane i lutowane były automatycznie, zadbajmy o to, by zminimalizować miejsca, gdzie potencjalnie wystąpić mogą opisane powyżej zjawiska. Unikniemy w ten sposób błędów przy montażu układów, które niepotrzebnie zwiększają koszt produkcji danej serii urządzeń.

    Więcej na temat opisanych powyżej zjawisk przeczytać można w linkowanej poniżej literaturze źródłowej. Jeśli macie jakieś pytania odnośnie w/w tematu, nie bójcie się komentować. Może macie własne doświadczenia z tego rodzaju zjawiskami lub też znacie inne metody przeciwdziałania im?

    Jeśli macie propozycje dalszych części tego cyklu, to zapraszam do sugerowania. Najlepsze pewnie doczekają się realizacji.

    Źródła:
    https://www.eeweb.com/profile/duane-benson-2/articles/little-smt-parts-big-issues
    https://www.altronmfg.com/pcb-design-for-manufacturability/
    http://documentation.solidworkspcb.com/display/SWPCB/PCB_Dlg-PolygonConnectStyleRule_Frame((Polygon+Connect+Style))_PW
    https://www.ecnmag.com/article/2012/07/low-mass-solution-tombstone-dilemma-identified

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • PCBway
  • #2
    Marek_Skalski
    Poziom 35  
    Materiał co do zasady jest ok, ale film to zwykła manipulacja.
    0. Temat dotyczy prowadzenia ścieżek, a jako dowód jest użyta źle nałożona pasta.
    1. Mówimy o montażu automatycznym, a tutaj jest ręczne nakładanie pasty i ręczny montaż elementów.
    2. PCB była już w użyciu i pola nie zostały prawidłowo oczyszczone. Widać pozostałości spoiwa i ślady obróbki mechanicznej na polach. To nie jest HAL, nie mówiąc o ENIG (standard w montażu maszynowym).
    3. Podniesienie elementu to nie efekt złego projektu ścieżek, tylko rozmazania pasty przez operatora. Skutek niestarannego montażu ręcznego.
    4. Lutowanie trwa ~20 sekund. W prawidłowych warunkach grzanie wstępne trwa przynajmniej 70 sekund, a przez 90-120 sekund PCB ma temperaturę >230*C. Właśnie po to, aby zmniejszyć naprężenia i napięcie powierzchniowe.
    Manipulacja!
  • PCBway
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Marek_Skalski napisał:
    Materiał co do zasady jest ok, ale film to zwykła manipulacja.
    0. Temat dotyczy prowadzenia ścieżek, a jako dowód jest użyta źle nałożona pasta.
    1. Mówimy o montażu automatycznym, a tutaj jest ręczne nakładanie pasty i ręczny montaż elementów.
    2. PCB była już w użyciu i pola nie zostały prawidłowo oczyszczone. Widać pozostałości spoiwa i ślady obróbki mechanicznej na polach. To nie jest HAL, nie mówiąc o ENIG (standard w montażu maszynowym).
    3. Podniesienie elementu to nie efekt złego projektu ścieżek, tylko rozmazania pasty przez operatora. Skutek niestarannego montażu ręcznego.
    4. Lutowanie trwa ~20 sekund. W prawidłowych warunkach grzanie wstępne trwa przynajmniej 70 sekund, a przez 90-120 sekund PCB ma temperaturę >230*C. Właśnie po to, aby zmniejszyć naprężenia i napięcie powierzchniowe.
    Manipulacja!


    eee... jaka manipulacja, skoro wyraźnie napisałem:

    ghost666 napisał:
    Na filmie poniżej widzimy, jak nierównomierne rozmieszczenie pasty lutowniczej powoduje "wstanie" jednego z lutowanych oporników:


    A film ma za zadanie pokazać jedynie jak wygląda taki nagrobek, bo nie każdy może to rozumieć.
  • #4
    Baskhaal
    Poziom 11  
    ghost666 napisał:
    Marek_Skalski napisał:
    Materiał co do zasady jest ok, ale film to zwykła manipulacja.
    0. Temat dotyczy prowadzenia ścieżek, a jako dowód jest użyta źle nałożona pasta.
    1. Mówimy o montażu automatycznym, a tutaj jest ręczne nakładanie pasty i ręczny montaż elementów.
    2. PCB była już w użyciu i pola nie zostały prawidłowo oczyszczone. Widać pozostałości spoiwa i ślady obróbki mechanicznej na polach. To nie jest HAL, nie mówiąc o ENIG (standard w montażu maszynowym).
    3. Podniesienie elementu to nie efekt złego projektu ścieżek, tylko rozmazania pasty przez operatora. Skutek niestarannego montażu ręcznego.
    4. Lutowanie trwa ~20 sekund. W prawidłowych warunkach grzanie wstępne trwa przynajmniej 70 sekund, a przez 90-120 sekund PCB ma temperaturę >230*C. Właśnie po to, aby zmniejszyć naprężenia i napięcie powierzchniowe.
    Manipulacja!


    eee... jaka manipulacja, skoro wyraźnie napisałem:

    ghost666 napisał:
    Na filmie poniżej widzimy, jak nierównomierne rozmieszczenie pasty lutowniczej powoduje "wstanie" jednego z lutowanych oporników:


    A film ma za zadanie pokazać jedynie jak wygląda taki nagrobek, bo nie każdy może to rozumieć.


    Nadal - używanie absolutnie niewiarygodnego, amatorskiego, odstającego od jakichkolwiek standardów filmu jako narzędzia pomocniczego przy poważnym temacie jest niepoważne. Efekt nagrobka został ładnie opisany, na rysunkach widać o co chodzi więc po co to blamaż filmowy? ;) A inna sprawa podano jako przyczyny nagrobkowania nieprawidłowo nałożoną pastę - czyli produkcja stop, kontrola sita, DEK itd itp. To jest niedopuszczalne.
  • #5
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Baskhaal napisał:
    ghost666 napisał:
    Marek_Skalski napisał:
    Materiał co do zasady jest ok, ale film to zwykła manipulacja.
    0. Temat dotyczy prowadzenia ścieżek, a jako dowód jest użyta źle nałożona pasta.
    1. Mówimy o montażu automatycznym, a tutaj jest ręczne nakładanie pasty i ręczny montaż elementów.
    2. PCB była już w użyciu i pola nie zostały prawidłowo oczyszczone. Widać pozostałości spoiwa i ślady obróbki mechanicznej na polach. To nie jest HAL, nie mówiąc o ENIG (standard w montażu maszynowym).
    3. Podniesienie elementu to nie efekt złego projektu ścieżek, tylko rozmazania pasty przez operatora. Skutek niestarannego montażu ręcznego.
    4. Lutowanie trwa ~20 sekund. W prawidłowych warunkach grzanie wstępne trwa przynajmniej 70 sekund, a przez 90-120 sekund PCB ma temperaturę >230*C. Właśnie po to, aby zmniejszyć naprężenia i napięcie powierzchniowe.
    Manipulacja!


    eee... jaka manipulacja, skoro wyraźnie napisałem:

    ghost666 napisał:
    Na filmie poniżej widzimy, jak nierównomierne rozmieszczenie pasty lutowniczej powoduje "wstanie" jednego z lutowanych oporników:


    A film ma za zadanie pokazać jedynie jak wygląda taki nagrobek, bo nie każdy może to rozumieć.


    Nadal - używanie absolutnie niewiarygodnego, amatorskiego, odstającego od jakichkolwiek standardów filmu jako narzędzia pomocniczego przy poważnym temacie jest niepoważne. Efekt nagrobka został ładnie opisany, na rysunkach widać o co chodzi więc po co to blamaż filmowy? ;) A inna sprawa podano jako przyczyny nagrobkowania nieprawidłowo nałożoną pastę - czyli produkcja stop, kontrola sita, DEK itd itp. To jest niedopuszczalne.


    W produkcji masowej - oczywiście - ale sporo firm produkuje tak prototypy (sito -> ręczny p&p -> mały reflow) i tam różny gruz wpada pod sito czasami :crazyeyes: nie mówiąc o tym, że mało kto trzyma w lodówce pasty, albo patrzy na takie fanaberie, jak data przydatności :cry:
  • #6
    Baskhaal
    Poziom 11  
    Nie no bez przesady, to co film pokazał jest poniżej jakiejkolwiek krytyki nawet w amatorskich projektach. Za takie coś linijką po łapach na lekcji ZPT ;)
  • #7
    krzysiek_krm
    Poziom 36  
    Prawdę mówiąc z takimi wymaganiami firm montujących to spotykałem się tak mniej więcej 20 lat temu - chyba wówczas dysponowali dość amatorskim sprzętem i technologiami. Od jakiegoś czasu montują wszystko co im się pod rękę nawinie.
  • #8
    digger123
    Poziom 16  
    Nie zawsze firma produkcyjna ma wpływ na to jak została zaprojektowana płytka, ale to tez da się z tego jakoś wyjść. Przy wieko seryjnej produkcji re-design PCB możne potrwać długo, stany magazynowe mogą sięgać milionów sztuk (czystych płytek ) już wyprodukowanych, pomijam fakt ze często zmiana PCB wiąże się z kolejnym procesem akredytacji ( produkty medyczne ) lub badaniami EMC itd. Rozwiązaniem często stosowanym do poprawy jakości jest kontrola ilości pasty na polach lutowniczych, w niektórych przypadkach zwykle zmniejszenie / zwiększenie "Paste Mask" ale szczytem tego sa tak zwane "Step Stencil"

    Step Stencil

    dość ważnym aspektem jest także szybkość podniesienia sita po nałożeniu pasty

    SOLDER PASTE FLOW IN THE CIRCUIT BOARD PRINT OPERATION
  • #9
    Baskhaal
    Poziom 11  
    Step stencil to obecnie dość powszechnie stosowane rozwiązanie gdy potrzebujemy więcej pasty na tej samej powierzchni - np pod wyprowadzenia złącz. Natomiast co do nadruku pasty - tam nie tylko prędkość separacji ma znaczenie. Docisk rakli, prędkość druku też mają duży wpływ. Jak dołożymy milion detali w stylu - odpowiednia częstotliwość mycia szablonu, zakaz ponownego używania źle nadrukowanych pcb itd itp to zbliżymy się do ideału ;)
  • #10
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Jak w dokumentacji (gerbery) wygląda step stencil?
  • #11
    Armadon
    Poziom 11  
    Jeśli chodzi o lutowanie płytek z elementami SMD w technologii bezołowiowej to istotne jest wiele czynników, przy czym sposób podłączenia ścieżki do pada zajmuje raczej dość odległą pozycję na liście.
    Tak więc z mojego skromnego doświadczenia:
    1. Dobra pasta - to jest rzecz absolutnie najważniejsza. Pasta dobrej jakości, prawidłowo przechowywana. Osobiście po wielu testach używam KOKI, z tego co wiem Alpha też jest dobra ale mi się nie udało dostać świeżej w Polsce.
    2. Dobrze ustawiony profil na piecu - jeśli na płytce jest dużo miedzi to trzeba odpowiednio zmodyfikować czasy żeby wszystko ładnie siadło.
    3. Prawidłowe nałożenie pasty.
    4. Dobrze zaprojektowany szablon - i tu trzeba trochę myśleć. Nie zawsze wielkość pola lutowniczego powinna się pokrywać z wielkością otworu w szablonie. Nadmiar pasty zdecydowanie szkodzi.

    Z przelotkami na padach nie mam większego problemu, ale przelotka musi być niewielka w stosunku do pada i najlepiej pokryta soldermaską z drugiej strony.
    Jedyna rzecz nad którą na chwilę obecną nie udało mi się zapanować to lutowanie dużych kondensatorów w aluminiowych obudowach (elektrolity lub polimery). W piecu się to przylutować nie chce, co gorsza pasta pod sąsiednimi elementami również nie chce się rozpuścić. Tak że ich unikam, a jak już muszą być to lutuję ręcznie.
  • #12
    Baskhaal
    Poziom 11  
    Armadon napisał:
    Jeśli chodzi o lutowanie płytek z elementami SMD w technologii bezołowiowej to istotne jest wiele czynników, przy czym sposób podłączenia ścieżki do pada zajmuje raczej dość odległą pozycję na liście.
    Tak więc z mojego skromnego doświadczenia:
    1. Dobra pasta - to jest rzecz absolutnie najważniejsza. Pasta dobrej jakości, prawidłowo przechowywana. Osobiście po wielu testach używam KOKI, z tego co wiem Alpha też jest dobra ale mi się nie udało dostać świeżej w Polsce.
    2. Dobrze ustawiony profil na piecu - jeśli na płytce jest dużo miedzi to trzeba odpowiednio zmodyfikować czasy żeby wszystko ładnie siadło.
    3. Prawidłowe nałożenie pasty.
    4. Dobrze zaprojektowany szablon - i tu trzeba trochę myśleć. Nie zawsze wielkość pola lutowniczego powinna się pokrywać z wielkością otworu w szablonie. Nadmiar pasty zdecydowanie szkodzi.

    Z przelotkami na padach nie mam większego problemu, ale przelotka musi być niewielka w stosunku do pada i najlepiej pokryta soldermaską z drugiej strony.
    Jedyna rzecz nad którą na chwilę obecną nie udało mi się zapanować to lutowanie dużych kondensatorów w aluminiowych obudowach (elektrolity lub polimery). W piecu się to przylutować nie chce, co gorsza pasta pod sąsiednimi elementami również nie chce się rozpuścić. Tak że ich unikam, a jak już muszą być to lutuję ręcznie.


    Wszystko prawda, każdy punkt to minimum potrzebne do zachowania jakości.

    Co do apertur w szablonie - często spotyka się pokrycie na poziomie 90-95% powierzchni padu, pasta i tak powinna pokryć całość.

    Jeżeli chodzi o duże pojemności to niestety - profil, czas, grzanie :) Do tego stopnia, że później takie elektrolity zaczynają 'pływać' na wąsach wyprowadzeń przy najmniejszych drganiach. Potem odpowiednio gwałtowne wychłodzenie i koniecznie - lutowanie w atmosferze beztlenowej, najlepiej w azocie.

    Przelotki - standardem są w wersji 'pluged' czyli zaślepione w przekroju płytki. Otwarte, większej średnicy zostawia się w przekroju termopadów ale to temat na osobny artykuł.
  • #13
    gajowy01
    Poziom 13  
    Proponowany sposób projektowania powoduje wzrost indukcyjności pasożytniczych.