3) Рекомендации по выполнению переходных отверстий

Руководство
по проектированию
печатных плат и электронных узлов
предназначенных для
автоматизированного монтажа
электронных компонентов.
Общие требования и рекомендации.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Раздел 1. Требования к проектированию ПП, предназначенных для
автоматизированного SMD монтажа.
1. Требования к технологической заготовке основания печатной платы.
2. Метки отсчета (Fiducial Marks, реперные знаки)
3. Общие рекомендации по проектированию печатных плат
4. Комплектность предоставляемой конструкторской документации
Приложение 1. Пример заполнения паспорта заказа печатной платы.
Приложение 2. Инструкция по созданию гербер файлов.
1. Введение
Настоящий документ определяет общие технические требования для проектирования
печатных плат с использованием электронных компонентов, предназначенных для
поверхностного монтажа. При составлении документа использовались рекомендации
стандартов IPC-7351 и IPC-782.
Помимо общих требований, изложенных в ГОСТ 23.751-86, данные рекомендации,
учитывающие особенности оборудования , позволяют избежать ошибок при проектировании
печатных плат.
2. Технические характеристики линии поверхностного монтажа
Производственная линия включает:
- установщик компонентов Universal AdVantis X42 с комбинацией одиночной 4-х шпиндельной
головкой InLine4 и шнековым дозатором AMV, позволяющими сочетать операции нанесения
паст и адгезивов и установку компонентов;
- конвейерную конвекционную 7- зонную печь оплавления Universal XPM2 520, позволяющую
использовать сложные температурные профили пайки;
- пост оптического контроля, оборудованный системой визуального контроля Mantis;
- установку пайки двойной волной припоя Soltek 6622CC позволяющую паять элементы
устанавливаемые в отверстия и предварительно приклеенные элементы поверхностного
монтажа
Оборудование, входящее в линию поверхностного монтажа, позволяет устанавливать
компоненты от типоразмера 0201 до 55,0х55,0 из питателей различного типа с
кинематической скоростью до 6000 комп./ час с точностью от +/- 35 мкм.
Использование современного оборудования для установки SMT (SMT - surface mount
technology) элементов совместно с высококачественными расходными материалами
позволяет сочетать высокую скорость и качество установки компонентов на печатные
платы.
3. Типовой технологический процесс подготовки печатной платы к автоматизированному
монтажу
Процесс подготовки печатной платы к автоматизированному монтажу можно разделить на
несколько этапов:
- проверка печатной платы на соответствие требованиям для поверхностного монтажа
компонентов;
- установка реперных знаков;
- создание технологической заготовки (панели из плат), с учетом технических
характеристик монтажного оборудования, количества плат в заказе, особенностей
изготовления и стоимости трафарета, и т. д.;
- размещение «технологических зон» на панели;
Процесс подготовки печатной платы к автоматизированному монтажу производится
силами центра автоматизированного монтажа. При необходимости, количество плат в панели и
её вид согласуется с заказчиком – конструктором узла.
Желательно, чтобы предоставленный заказчиком файл содержал одиночную плату.
Раздел 1. Требования к проектированию ПП, предназначенных для автоматизированного
монтажа поверхностно-монтируемых компонентов.
1. Требования к технологической заготовке основания печатной платы.
1.1
Размер заготовки должен быть не более (L  W) (500  350) мм.
1.2
Толщина листа заготовки платы должна быть от 0.6 мм до 3 мм (0.024”… 0.2”).
1.3 Технологические зоны на заготовке, запрещённые для размещения компонентов должны
соответствовать (рис. 1).
Технологические зоны (рис. 7) одновременно выполняют несколько функций:
- используются для фиксации заготовки в трафаретном принтере (при нанесении паяльной пасты),
на линии по автоматической установке компонентов;
- позволяют размещать компоненты практически у самого края платы;
- используются для размещения реперных знаков;
- используются для придания дополнительной жёсткости заготовке при ее маленькой толщине и
наличии в ней большого числа внутренних вырезов.
Технологические зоны, как правило, располагаются вдоль длинной стороны заготовки и
имеют ширину 5 мм. По краям технологических зон имеются отверстия диаметром 3.3 мм для
фиксации заготовки в трафаретном принтере. От заготовки технологические зоны разделяются
методом скрайбирования либо мостиками.
В случае, если применение технологических зон недопустимо, на плате должны быть
предусмотрены области свободные от компонентов и соответствующие характеристикам
технологических зон.
Рис. 1 Зоны, запрещённые для размещения компонентов
L
3 (0.12”)
5 (0.2”)
А
В
w
5 (0.2”)
5 (0.2”)
А - сторона платы для установки SMD компонентов:
-запрещённая зона шириной 3 мм от верхнего края заготовки (Рис.1);
-запрещённая зона шириной 5 мм от нижнего края заготовки (Рис.1).
В - противоположная SMD компонентам сторона платы
-запрещённые зоны шириной 5 мм от верхнего и от нижнего краёв платы (Рис.1).
1.4 Деформация заготовки платы не должна превышать величин, указанных на Рис.2.
Рис.2
Сторона платы для пайки SMD компонентов
Макс. 0.5 мм (0.02”)
Макс. 1.0 мм (0.04”)
1.5 При необходимости установки на плату навесных компонентов до установки компонентов
SMD их высота не должна превышать:
на стороне платы для установки SMD компонентов - 6.5 мм (0.26”) (Рис.3);
на противоположной SMD компонентам стороне платы -10 мм (0.4”) (Рис.3).
Рис.3
Сторона платы для пайки компонентов поверхностного монтажа (SMD)
0.6…3.0 мм
(0.024”… 0.2”)
3 мм
(0.12”)
5 мм
(0.2”)
5мм
(0.2”)
Макс.
10 мм
(0.4”)
2.
Макс.
6,5мм
(0.26”)
5 мм
(0.2”)
Метки отсчета (Fiducial Marks, реперные знаки)
2.1
Метка отсчёта является центром системы координат на этапе сборки платы. Она
позволяет оборудованию корректировать погрешности измерения текущих координат,
накапливающиеся в процессе автоматической установки компонентов на плату. Существует два
вида меток начала отсчета: глобальные (Global fiducials) и локальные (Local fiducials).
- Глобальные метки используются для всей платы или, в случае нескольких плат объединённых
в панель, для привязки всей панели. Требуется минимум две глобальных метки, обычно
расположенные в диагонально-противоположных углах платы на максимально возможном друг
от друга расстоянии. Глобальные метки должны быть на всех слоях, содержащих компоненты.
- Локальные метки используются для привязки конкретного компонента (обычно с большим
количеством выводов и маленьким шагом между ними) для вычисления координат (X,Y
offsets). Локальные метки отсчёта, располагаются обычно по диагонали, на периметре области,
занимаемой данным компонентом. В случае нехватки свободного места допускается
использовать одну локальную метку отсчета предпочтительно в центре, занимаемой
компонентом области.
Все метки располагаются вне запрещённых зон для проводников и компонентов.
Применяют следующие формы меток отсчета, А = (0.8…3.0)мм (0.03”…0.12”) (Рис.4):
- закрашенный круг (предпочтительно);
- закрашенный квадрат;
- закрашенный повернутый квадрат;
- одиночный крест;
Рекомендуемый размер “А” метки отсчёта - 1.5 мм.
На печатной платы (на панели) метки отсчёта должны быть одной формы и размера.
Допускается глобальные метки делать большего размера, чем локальные.
Например: глобальные метки – 1,5мм, локальные – 1мм.
Применяемые метки отсчёта изображены на Рис.4.
Рис.4
Запрещённая зона
(min)1мм
A
A
A
A
2A
2A
2A
2A
Вокруг метки должна быть запрещённая зона для проводников, компонентов и защитной
маски (Рис. 4).
Все метки должны быть изображены в слое проводников.
Метки должны быть освобождены от маски и иметь гладкое, хорошо отражающее свет,
металлическое покрытие (никель, сплавы олова, серебро,…)
Между метками и краем платы должно быть расстояние не менее 5.0 мм (0.2”) плюс ширина
запрещённой зоны.
Рекомендуется размещать метки в точках, как показано на Рис.5.
Рис.5 Пример размещения меток отсчёта
Global fiducials
Local fiducials
5 mm
В случае автоматического монтажа небольших по размеру плат их объединяют в
общую панель (Панелирование) и располагают на одной заготовке (Рис.6).
Рис.6. Пример расположения нескольких плат на одной заготовке
Расстояние между платами должно соответствовать требованиям применяемой
технологии разделения плат: фрезерованию (Рис.7), процарапыванию по контуру
(Скрайбированию Рис.8).
Рис.7 Пример разделения плат фрезерованием
“Линии разлома” должны, с одной стороны, обеспечивать достаточную прочность
панели с платами при нанесении паяльной пасты, при механизированной установке
и пайке компонентов и, с другой стороны, обеспечивать гарантированное
разделение готовых плат при разламывании.
Рис.8 Пример разделения плат процарапыванием по контуру (скрайбирование)
3. Общие рекомендации по проектированию печатных плат
1)
Размещение «нуля» печатной платы:
«Ноль» печатной платы необходимо размещать в абсолютной системе координат в точке
(100; 100).
2)
-
Размещение печатных проводников и компонентов:
- все бескорпусные и компоненты с планарными выводами (SMD) следует размещать на одной
стороне платы. В случае если это условие выполнить невозможно, следует разделить
компоненты на «легкие» и «тяжелые» и размещать их на разных сторонах платы. Например,
пассивные компоненты, разместить на одной стороне, микросхемы на другой;
- размеры площадок должны соответствовать рекомендуемым для данного типоразмера корпуса
(информацию о размерах площадок можно уточнить в тех. документации на компонент либо
в стандартах IPC7351 или IPC-782);
- зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на Рис. 9;
Рис.9 Минимальные зазоры между компонентами
компоненты должны располагаться не ближе 1.25 мм (0,05”) от края заготовки и не ближе
запрещённых зон, указанных в п.1.3;
в слое металлизации при трассировке проводников нужно избегать острых углов;
шина заземления должна быть везде, где это возможно;
обратить внимание на необходимость запрещённой зоны вокруг крепёжных отверстий;
диаметры отверстий для компонентов с выводами должны превышать диаметры выводов не
более чем на 0.25мм (0.01”);
диаметры отверстий на чертеже указываются с учётом толщины металлизации;
- расстояние от края не металлизированного отверстия до контактной площадки или проводника
должно быть не менее 0.5 мм (0.02”);
полярные компоненты желательно ориентировать одинаково;
- желательно, чтобы максимальное число компонентов имели одинаковый типоразмер корпуса.
Например: резисторы и конденсаторы - 0805. Подбор компонентов подобным образом позволяет
установщику достигнуть максимальной производительности;
- поворот компонента вокруг своей оси с дискретностью в 1 градус;
- максимальная высота компонента 20 мм;
- максимальный вес компонента 25 г;
- для компонентов с шагом выводов 0.5 мм и менее оставлять место (по диагонали компонента
либо по центру) для размещения локальных реперных знаков;
- проводники, расположенные под компонентами SMD, должны быть закрыты защитной маской;
- переходные отверстия, находящиеся под корпусами BGA, должны быть закрыты защитной
маской;
- для предотвращения деформации платы в процессе производства платы и монтажа при нагреве в
печи, полигоны на внешних и внутренних слоях (для многослойных плат) необходимо
размещать равномерно по поверхности платы и выполнять их в виде сетки из проводников;
- расстояние от края неметаллизированного отверстия до контактной площадки или проводника
должно быть не менее 0.5 мм;
- для уменьшения оттока тепла при пайке от контактных площадок (для исключения появления
“холодных” паек) необходимо:
а) Использовать узкие проводники, соединяющие непосредственно контактную площадку
и широкий проводник, как показано на Риc.11 (а, б).
Ширина подводящего “узкого” проводника выбирается в зависимости от класса точности
платы и от проходящего по нему тока.
Рис.11 Примеры подвода широких проводников к контактным площадкам
а)
б)
б)
Все перемычки между ножками SMD микросхем должны
находиться вне места пайки:
Рис. 12
Правильно
Неправильно
г) Площадки SMD компонентов, находящиеся на больших полигонах, должны быть
отделены от полигона перемычками.
Рис.13 Примеры расположения площадок SMD на больших полигонах
д) Вокруг контактной площадки нанести маску, которая препятствует перемещению
расплавленного припоя вдоль проводника.
3) Рекомендации по выполнению переходных отверстий:
Во многом качество монтажа поверхностно-монтируемых компонентов зависит от
правильного выполнения переходных отверстий. Неправильное размещение переходных
отверстий относительно площадок SMT компонентов является распространенной ошибкой
разработчиков.
- не допускается располагать переходные отверстия под компонентами SMD и на контактных
площадках;
- диаметр переходных отверстий должен выбираться, основываясь на толщине платы и
рекомендованном производителем отношении толщины платы и минимальном диаметре
металлизированного отверстия.
Приведённый рисунок (Рис.14) демонстрирует рекомендуемое расположение переходных
отверстий и контактных площадок.
Рис.14 Примеры расположения переходных отверстий
0.25
Правильно
Неправильно
0.25
4) Рекомендации по выполнению маркировки платы
На плате наносится маркировка:
- графических и позиционных обозначений компонентов (графические обозначения
компонентов должны отражать полярность и ориентацию компонентов на плате);
- обозначения платы, версии, обозначения предприятия-изготовителя и его адрес;
- предусматривается место для нанесения номера и даты изготовления платы;
- маркировка на плате выполняется трафаретной печатью либо в слое проводников;
- трафаретную печать желательно располагать только по областям платы, покрытых
защитной маской;
- элементы маркировки компонентов расположенных рядом друг с другом не должны
пересекаться и накладываться друг на друга.
- Следует учитывать, что элементы маркировки, попадающие на площадки открытые от
маски и покрытые финишным покрытием (ПОС-61, иммерсионное золото и д.р.)
наноситься не будут.
4. Комплектность предоставляемой конструкторской документации
Предоставляемая заказчиком техническая документация должна содержать:
- файл (файлы) проекта;
- заполненный паспорт заказа печатных плат (см. приложение 1) (при необходимости заказа
плат);
- сборочный чертеж;
- спецификацию, с указанием наименования компонентов, их позиционных обозначений на
плате, номиналов и типов корпуса.
Неправильно подготовленные файлы проекта и технической документации усложняют,
а иногда и делают невозможным проведение монтажных работ.
При предоставлении гербер-файлов необходимо руководствоваться правилами их
генерации указанными в приложении 2.
Приложение 1.
ПАСПОРТ ЗАКАЗА
ЗАКАЗЧИК: ООО Индекс, 333-3333, Иванова Людмила Ивановна
(Название фирмы, телефон, факс, e-mail, ФИО разработчика)
Дата приема заказа:
Дата желаемой поставки плат:
Исходный файл: 130713100611.pcb, 800 000, 19.04.2007
(Имя платы, размер, дата создания файла)
Имя платы
Код
Размеры платы
Размеры
мм
заготовки
платы
с допусками
(для комплекта)
с допусками
1307.13100611
Кол-во Кол-во
загот. плат
140-0,52 100-0,35
Состав заготовки
Расшифровка кода платы:
1 цифра - тип платы (1-односторонняя,2-двухсторонняя, X-многослойная);
2 цифра - тип маски (0-без маски,4-фотопрояв.импортная);
3 цифра - маркировка (0-без маркировки,1-с одной стороны,2-с двух сторон);
4 цифра - обработка контура
(0-гильотиной с доп.+ -0.75мм,
1-штампом с доп. – 0,3 мм,
2-фрезой с доп.+ -0.2мм - одна ПП на заготовке,
3-ПП передается в необработанной заготовке,
4-гильотиной без тех.полей, без вырубки отдельных ПП,
5-гильотиной каждую ПП на заготовке,
6-фрезой с доп.+ -0.2мм каждую ПП на заготовке,
7-штампом - каждую ПП на заготовке,
8-комбинированным методом гильотиной и фрезой,
9-ПП передается в виде панелей с отфрезерованным контуром
каждой платы c технологическими перемычками. Ширина разделительной
фрезеровки плат в заготовке 2 мм);
5 цифра - защита разъема от лужения для последующей обработки
(0-не защищать,1-защищать)
S платы 1,4 кв.дм
S комплекта
кв.дм
Материал FR-4; толщина МПП 1,5 ± 0,2 мм.
Покрытие маска по меди, HASL (гор. лужение);
Таблица соответствия конструкторских и технологических примитивов.
Отверстие после
металлизации с
допуском, мм
Количество
отверстий
Примечания
0,3-0,1+0
0,8-0,1+0
1,0-0,1+0
1,2-0,15+0,05
2,2±0,1
2,9±0,1
3,2±0,1
467
3
37
16
2
4
2
металлизировать
металлизировать
металлизировать
металлизировать
крепежное отв., б/мет.
крепежное отв., б/мет.
крепежное отв., б/мет.
Перечень технологических слоев:
1. ТОПОЛОГИЯ
1) Сторона монтажа - top:
2) Первый внутренний слой – int1:
3) Второй внутренний слой – int2:
4) Сторона пайки - bottom:
130713100611.top
130713100611.int1
130713100611.int2
130713100611.bot
2. МАСКА (зеленая)
1)переходные отверстия открыты от маски
2) Сторона монтажа – top mask:
3) Сторона пайки – bottom mask:
130713100611.tmsk
130713100611.bmsk
3. МАРКИРОВКА (краска белая)
1)сторона монтажа – top silk:
130713100611.tsl
Количество фотошаблонов
7
4.
1)
5.
1)
2)
6.
КОНТУР ПП
Контур обрезки ПП - border:
СВЕРЛОВКА
Металлизированные отверстия:
Неметаллизированные отверстия:
Проверка печатной платы:
130713100611.brd
130713100611.nd-met
130713100611.nd-otv
130713100611.cpl
130713100611.net
1) Данные контроля
Параметры экспорта GERBER файлов:
RS274-X
data unit
= mm
data format
= absolut
suppression zeroes
= none
digits before
= 4
digits after
= 4
Параметры экспорта сверловки:
Excellon 2
data unit
data format
suppression zeroes
digits before
digits after
Минимальная ширина проводника
Минимальный зазор между элементами печатного рисунка
Минимальный ободок между отверстием и контактной площадкой
Минимальный ободок между маской и контактной площадкой
=
=
=
=
=
mm
absolut
none
4
2
0,15
0,15
0,05
0,191
Дополнительные требования
1. Заготовка (плата) не должна иметь деформацию более 0,5 мм.
2. Плата должна выдерживать температурные режимы машинной пайки в печи и
«волной» без изменения физических свойств и внешнего вида.
ИСПОЛНИТЕЛЬ____________________ /
ЗАКАЗЧИК______________________ /
/
/
Приложение 2.
Инструкция по созданию гербер-файлов
Получение гербер файлов для примера 2-х слойной платы с маской и маркировкой с двух сторон (пусть
файл называется KL.PCB).
Задать зазоры между медью и защитной маской:
Option - Configure - Solder Mask Swel: 0.15 - 0.2 мм (по умолчанию 0.191 мм)
File - Gerber Out - Setup Output Files
Layers: Top
Установить флажки в полях: PADS, VIAS, в остальных полях флажок снять.
В поле File Extension ввести имя ТОР
Нажать кнопку ADD в левой части экрана:
Аналогично для
Layers: Bottom
Установить флажки в полях: PADS, VIAS, в остальных полях флажок снять.
В поле File Extension ввести имя ВОТ
Нажать кнопку ADD в левой части экрана:
Для слоев маски (зеленки) для варианта закрытой зеленкой переходных отверстий:
Layers: TopMask
Установить флажки в полях: PADS, в остальных полях флажок снять.
В поле File Extension ввести имя TMSK
Нажать кнопку ADD в левой части экрана:
Layers: BotMask
Установить флажки в полях: PADS, в остальных полях флажок снять.
В поле File Extension ввести имя BMSK
Нажать кнопку ADD в левой части экрана:
Для варианта переходных отверстий, отрытых от паяльной маски Установить
флажки в полях: PADS, VIAS, в остальных полях флажок снять.
Для создания гербер файла контура платы:
Layers: Board
Снять флажки во всех полях.
В поле File Extension ввести имя BDR
Нажать кнопку ADD в левой части экрана:
Для создания гербер файла маркировки на верхний слой:
Layers: Top Silk
Установить флажки в полях: RefDes, в остальных полях флажок снять.
В поле File Extension ввести имя TSLK
Нажать кнопку ADD в левой части экрана:
Для создания гербер файла маркировки на нижний слой:
Layers: Bot Silk
Установить флажки в полях: RefDes, в остальных полях флажок снять.
В поле File Extension ввести имя BSLK
Нажать кнопку ADD в левой части экрана:
Установите флажок в поле "View log file upon completion".
Нажмите кнопку Close - попадете в окно "File Gerber Out".
Нажмите кнопку Apertures и в открывшемся окне "Aperture Assignments" снимите флажок в
поле Pad/Via holes и установите флажок в полях: Clear current apertures, Draw Rotated or
Offset Pad/Vias, Draw Polygon Pad/Vias> Нажмите кнопку Auto - при этом в ранее пустом
столбце Aperture появятся номера апертур: D010, D011 и т.д., см. рис. ниже:
Нажмите кнопку Close - снова вернетесь в окно "File Gerber Out".
Нажмите кнопку "Gerber Format"
и установите в раскрывшемся окне "Gerber Format"
флажки: Output Units: Inches или Millimeters (если
разработка велась в мм), Numeric Format: 4.4. Установите
флажок в поле "Include aperture definition". Нажмите
кнопку Close - возвратитесь в окно "File Gerber Out".
Нажмите кнопку "Generate Output Files". При этом будут
сформированы и записаны на диск гербер файлы по
отмеченным выше слоям (для данного примера это
KL.TOP, KL.BOT, KL.TMS, KL.BMS, KL.TSL, KL.BSL,
KL.BDR) - Close.
Если слои маркировки, или маски не требуются на плате,
то эти слои создавать не требуется.
ВНИМАНИЕ! Разработчиками пакетов ACCEL EDA, PCAD2000, PCAD2001 не предусмотрен
перевод в гербер формат шрифтов True Type. Для исключения потерь тексты, переводимые в гербер
формат, должны иметь тип Stroke, флажок "Alow True Type" в свойствах шрифтов должен быть снят.
Ошибки перевода текстов можно увидеть в получаемом вместе с гербер файлами файлом отчета,
имеющим расширение .err, и который можно просмотреть любым текстовым редактором. Подобные
ошибки имеют, например, такой вид:
«Warning: Text object using TrueType text style Arial [1] ignored.». Для просмотра полученных текстов
используйте импорт гербер файлов - см. пункт Контроль гербер файлов ниже.
Получение файла сверловки:
В главном окне редактора РСВ нажмите кнопки File - N/C DRILL. При этом Вы попадете в окно File N/C
Drill с четырьмя кнопками: Set Output Files, Tools, N/C Drill Format, Generate Output Files:
Нажмите верхнюю кнопку Setup Output Files и в окне Setup Output Files нажмите кнопку Set All, см. рис.
ниже.
Установите флажок в поле Plated Holes. В поле File Extension записать ND-MET (сверловка
металлизированных отверстий).
В полях X offset, Y offset должны быть нули (0).
Нажмите кнопку ADD в левой части экрана:
Установите флажок в поле Non-plated Holes. В поле File Extension записать ND-OTV (сверловка
неметаллизированных отверстий).
В полях X offset, Y offset должны быть нули (0).
Нажмите кнопку ADD в левой части экрана.
Установите флажок в поле «View log file upon completion».
Нажмите кнопку Close. При этом Вы вернетесь в окно File N/C Drill.
Нажмите кнопку Tools и в раскрывшемся окне Tool Assignments нажмите кнопку Auto, при этом в
столбце Tool должны появиться используемые Вами инструменты (сверла) и их диаметры в
миллиметрах:
Выйдите из окна Tool Assignments, нажав кнопку Close, и зайдите в окно N/C Drill Format, нажав кнопку с
таким именем. Выберите формат файла сверловки: Units=Inches, Code Type=ASCII None, Zero
Supression=None.
Вернитесь в окно File N/C Drill, нажав кнопку Close, и нажмите кнопку Generate Output Files:
Файл сверловки будет записан в текущем каталоге.
Контроль гербер-файлов
Контроль гербер-файлов осуществляется с помощью программы Camtastiс 2000. Полученные
гербер-файлы открываются через меню File/Import/. Кроме того, файлы сверловки можно открыть в
любом текстовом редакторе.