Projektowanie płytek PCB. O czym należy pamiętać przy montażu automatycznym

72 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Podczas projektowania płytek PCB należy pamiętać o takich podstawowych sprawach jak dobranie odpowiedniej szerokości ścieżki w zależności od wartości prądu jaki ma przez nią przepływać, zachowanie odstępów po- między elementami, unikanie kątów prostych w prowadzeniu ścieżek czy też o umieszczaniu elementów w węzłach siatki. Dobrze jest też zaplanować odpowiednia powierzchnię radia- tora (warstwy miedzi pełniącej tę funkcję), aby elementy zbytnio się nie nagrzewały. Podob- nych zaleceń jest sporo i z pewnością w tym artykule nie omówimy wyczerpująco wszystkich zagadnień. Przy produkcji automatycznej należy uwzględnić możliwości i wymogi danego zakła- du produkcyjnego. O wpływie procesu produk- cyjnego na projektowanie płytek PCB piszemy w dalszej części artykułu. Elementy do montażu powierzchniowego Elementy do montażu powierzchniowego (SMD - Surface Mount Device lub SMT - Surface Mount Technology) odznaczają się mniejszymi wymiarami niż tradycyjne elementy do monta- żu przewlekanego. Sprzyja to większemu upa- kowaniu elementów i zmniejszeniu wymiarów płytki PCB, jednak miniaturowe elementy i ich wymagania w procesie lutowania, mogą one sprawiać problemy podczas montażu. Dość oczywistym stwierdzeniem jest, że pady pod elementy powinny mieć ?odpowied- nie? wymiary. Odpowiednie ? czyli ani za małe, ani za duże. Za małe mogą być powodem złego mocowania elementu, natomiast za duże mogą doprowadzić do niekontrolowanego rozpływa- nia się cyny po płytce PCB podczas lutowania. Aby nie dochodziło do niekontrolowanego rozpływania cyny, każdy pad powinien być od- dzielony od sąsiedniego warstwą maski nawet jeśli są bardzo blisko siebie (rys. 1). Unikniemy Projektowanie płytek PCB O czym należy pamiętać przy montażu automatycznym Projektowanie płytek drukowanych jest trudnym zadaniem. Nawet niewielkim projektom należy poświęcić sporo uwagi i czasu, aby optymalnie rozplanować połączenia i ułożenie elementów na płytce. Chociaż o projektowaniu płytek PCB można napisać grubą książkę, to w notatniku konstruktora przedstawiamy wskazówki, o których należy pamiętać podczas projektowania obwodów drukowanych przeznaczonych do montażu w specjalistycznym zakładzie produkcyjnym. dzięki temu również problemu ?cieniowania?, czyli zasłaniania się elementów przy lutowaniu na fali. Jeżeli pady elementów znajdują się w są- siedztwie metalizowanego otworu (przelotki), to nie należy umieszczać go częściowo na padzie (rys. 2). Podczas montażu elementu SMD, obok którego zbyt blisko jest umieszczony otwór, cyna wlewa się do niego i tylko mała jej cześć pozostaje na padzie. Może to prowadzić do po- wstawania połączeń lutowanych o zmniejszo- nej wytrzymałości mechanicznej. Zapamiętajmy: umieszczanie niezamaskowanych przelotek przy padach powoduje zasysanie przez nie cyny. W przypadku, gdy element SMD znajduje się blisko dużego pola miedzi (np. masy lub ra- diatora) trzeba stosować przewężenia (rys. 3), połączenia promieniste itp. Powoduje to lepsze przylutowanie elementu ? ciepło nie jest odpro- wadzane z padu, dlatego cyna może być lepiej podgrzana. Przy projektowaniu płytek PCB należy pa- miętać o prawidłowym rozmieszczeniu elemen- tów ze względu na wydzielanie ciepła. Jeśli na płytce elementy o dużej pojemności cieplnej są położone blisko siebie na niewielkim obsza- rze, może to spowodować, że pasta lutownicza w tym obszarze nie będzie przetopiona. Aby temu zapobiec, można próbować zwiększać temperaturę lutowania. Może to jednak pro- wadzić do zbyt szybkiego odparowania topni- ka w obszarach płytki o mniejszej pojemności cieplnej, co z kolei może być powodem słabego przylutowania tych elementów wskutek braku lub słabej zwilżalności padów. Przy montażu układów na klej należy uwzględnić odpowiedni rozstaw padów, gdyż zbyt mały może prowadzić do naniesienia części kleju na pady. Pady powinny być odrobinę więk- sze tak, aby przy lutowaniu na fali zapewnić właściwy i pełny rozpływ lutowia. Przy lutowaniu na fali należy uwzględnić kierunek przemieszczania płytki względem fali. Układy scalone powinny być zorientowane w tym samym kierunku, a ich dłuższa oś syme- trii pokrywać się z kierunkiem transportu płytki w fali (rys. 4a). Układy obrócone o 90o mogą powodować cieniowanie (zakrywanie innych elementów) i niewłaściwe lutowanie drugiego rzędu nóżek lub następnego układu (rys. 4b). Przy układach scalonych w obudowach typu QFP lub podobnych, należy również sto- sować ?łapacze (pułapki) cyny?. Są to dodatko- we pady, które mają zapobiegać powstawaniu zwarć na tych elementach. Elementy THT i montaż mieszany W przypadku elementów przewlekanych (THT. ? Through-Hole Technology) bardzo waż- ną sprawą jest średnica otworów. Musi ona być oczywiście większa niż średnica wyprowadzenia elementu, ale odpowiednio dobrana. W prze- ciwnym przypadku trudno jest włożyć wypro- wadzenia elementu w otwór, co może spowo- dować wydłużenie czasu montażu. Rys. 1. Umieszczanie elementów SMD blisko siebie Rys. 2. Prawidłowe umieszczenie przelotki w pobliżu elementów SMD Rys. 3. Dołączenie padu do dużego pola cyny 73ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 2/2009 Projektowanie płytek PCB Podsumowanie Przedstawione w artykule wskazówki i za- lecenia pozwolą doskonalić skomplikowaną sztukę, jaką jest projektowanie płytek drukowa- nych. Zwróciliśmy uwagę na te aspekty procesu projektowego, które są szczególnie istotne tak, aby produkcja i montaż płytek PCB przebiegały pomyślnie. Za pomoc w przygotowaniu artyku- łu dziękujemy inżynierom z ?rmy Sowar. Maciej Gołaszewski, EP maciej.golaszewski@ep.com.pl Fot. 7. Różne warianty znaków bazowych Rys. 4. Rozmieszczenie elementów do lutowaniu na fali a) prawidłowo, b) niepoprawnie Rys. 5. Zalecane rozstawy wyprowadzeń elementów osiowych Rys. 6. Sposób układania elementów mających wyróżnione orientowanie Fot. 8. Znak bazowy przy elemencie typu ?ne pitch b)a) Podczas projektowania należy też uwzględ- nić rozstawienie wyprowadzeń elementów (np. tranzystorów), aby nie trzeba było niepotrzebnie wyginać ich. W przypadku montażu elementów osiowych takich, jak rezystory, zbyt wąski roz- staw otworów może spowodować uszkodzenie elementu (rys. 5). Przy montażu mieszanym THT i SMD nie należy ustawiać niskich elementów (np. w obu- dowach 0603) obok wysokich takich, jak duże diody w obudowie SMC. W technice lutowania na fali duży element może zasłonić mniejszy i nie zostanie on przylutowany (efekt ?cienio- wania?). Projekt płytki do montażu automatycznego Przy projektowaniu płytek PCB do monta- żu automatycznego należy przede wszystkim uwzględnić możliwości oraz wymagania zakła- du produkcyjnego. Co prawda pewne wymaga- nia zależą od dostępnego w zakładzie sprzętu montażowego, lecz niektóre wskazówki są do- syć uniwersalne. Elementy, które mają znaki orientujące (rys. 6) najlepiej jest układać jednakowo, aby głowica układająca elementy wykonywała mniej ruchów (nie wymaga obrotu) i tym samym montaż płytki odbywał się szybciej. Elementy symetryczne (bez znaków orientujących) dobrze jest układać wzdłuż tej samej osi. Elementy nie powinny być umieszczane zbyt blisko lub na samej krawędzi płytki. Umieszcza- nie elementów zbyt blisko krawędzi może po- wodować ich uszkodzenie przez nóż wycinający formatkę. Nawet jeśli nóż nie zahaczy o element, to jest możliwe, że od miejscowego naprężenia powstanie mikropęknięcie w elemencie (lami- nat jest bardziej elastyczny od elementów elek- tronicznych). Należy też dążyć do stosowania jak najmniejszej liczby różnych wartości elementów pasywnych (np. rezystorów), gdyż przyśpiesza to montaż. W wielu ?rmach montażowych wymagane jest, aby formatka miała marginesy w celu jej zamocowania. Ważne jest umieszczenie punk- tów odniesienia (znaków bazowych, tzw. ?du- cial), bez których nie można ustawić maszyny (współrzędne położenia elementów są oblicza- ne względem tych punktów). Punkty odniesienia mogą występować w postaci okręgu, kwadratu lub krzyża ? fot. 7. Znaki bazowe nie mogą być położone zbyt blisko padów oraz krawędzi płytki. Fiducial umieszczony zbyt blisko padów może nie być rozpoznawany przez automat, gdyż może on błędnie odczytać pad jako znak bazowy. Natomiast ?ducial umieszczony zbyt blisko krawędzi formatki, może być częściowo zasłonięty przez klamry mocu- jące płytki w transporterze automatu. Przy elementach wymagających precyzyjnego montażu (?ne pitch) należy uwzględnić miejscowe ?duciale ? fot. 8.