אילו בעיות ייצור יש לקחת בחשבון בתכנון PCB

1. הקדמת עיצוב PCB  

עם התחרות הגוברת בשוק של מוצרי תקשורת ומוצרי אלקטרוניקה, מחזור החיים של המוצרים מתקצר. שדרוג המוצרים המקוריים ומהירות השחרור של מוצרים חדשים ממלאים תפקיד קריטי יותר ויותר בהישרדות ובפיתוח הארגון. בקישור הייצור, איך להשיג מוצרים חדשים עם יכולת ייצור ואיכות ייצור גבוהה יותר עם פחות זמן הובלת ייצור הפך יותר ויותר לתחרותיות שאנשי חזון רודפים אחריהן. 

בייצור של מוצרים אלקטרוניים, עם המזעור והמורכבות של המוצרים, צפיפות ההרכבה של המעגלים הולכת ונעשית גבוהה יותר ויותר. בהתאם לכך, הדור החדש של תהליך ההרכבה של SMT שהיה בשימוש נרחב דורש מהמעצבים לשקול את יכולת הייצור כבר בהתחלה. ברגע שכושר הייצור הלקוי נגרמת כתוצאה משיקול לקוי בתכנון, הוא חייב לשנות את העיצוב, מה שיאריך בהכרח את זמן הצגת המוצר וייקר את עלות ההשקה. גם אם פריסת ה-PCB שונה מעט, עלות היצירה מחדש של הלוח המודפס ולוח המסך להדפסת משחת הלחמה SMT היא עד אלפי או אפילו עשרות אלפי יואן, והמעגל האנלוגי אפילו צריך לבצע איתור באגים מחדש. עיכוב זמן היבוא עלול לגרום למיזם לפספס את ההזדמנות בשוק ולהיות במצב מאוד נחות מבחינה אסטרטגית. עם זאת, אם המוצר מיוצר ללא שינוי, בהכרח יהיו לו פגמי ייצור או יגדילו את עלויות הייצור, דבר שיעלה יותר. לכן, כאשר ארגונים מתכננים מוצרים חדשים, ככל שניתן לחשוב על יכולת הייצור של העיצוב מוקדם יותר, כך תורם יותר להחדרה יעילה של מוצרים חדשים.       

2. תכנים שיש לקחת בחשבון בתכנון PCB  

יכולת הייצור של עיצוב PCB מחולקת לשתי קטגוריות, האחת היא טכנולוגיית העיבוד של ייצור מעגלים מודפסים; השני מתייחס למעגל ולמבנה של הרכיבים והמעגלים המודפסים של תהליך ההרכבה. עבור טכנולוגיית העיבוד של ייצור מעגלים מודפסים, יצרני ה-PCB הכלליים, בשל השפעת כושר הייצור שלהם, יספקו למעצבים דרישות מפורטות מאוד, וזה טוב יחסית בפועל. אבל לפי הבנת המחבר, האמיתי בפועל שלא זכה לתשומת לב מספקת, הוא הסוג השני, כלומר תכנון ייצור להרכבה אלקטרונית. המיקוד של מאמר זה הוא גם לתאר את בעיות הייצור שעל מעצבים לקחת בחשבון בשלב תכנון ה-PCB.     

תכנון ייצור עבור הרכבה אלקטרונית מחייב מתכנני PCB לשקול את הדברים הבאים בתחילת תכנון PCB:   

2.1 בחירה מתאימה של מצב הרכבה ופריסה של רכיבים בתכנון PCB  

בחירת מצב ההרכבה ופריסת הרכיבים היא היבט חשוב מאוד של ייצור PCB, אשר לו השפעה רבה על יעילות ההרכבה, העלות ואיכות המוצר. למעשה, המחבר בא במגע עם די הרבה PCB, ועדיין יש חוסר התחשבות בכמה עקרונות בסיסיים מאוד.     

(1) בחר את שיטת ההרכבה המתאימה 

באופן כללי, על פי צפיפות הרכבה שונות של PCB, מומלצות שיטות ההרכבה הבאות:   

כמהנדס תכנון מעגלים, אני אמור לקבל הבנה נכונה של תהליך הרכבת ה-PCB, כדי שאוכל להימנע מטעויות עקרוניות. בעת בחירת מצב ההרכבה, בנוסף לשקול את צפיפות ההרכבה של PCB ואת הקושי בחיווט, יש צורך לשקול את זרימת התהליך הטיפוסית של מצב הרכבה זה ואת רמת ציוד התהליך של הארגון עצמו. אם לארגון אין תהליך ריתוך גלים טוב, בחר בשיטת ההרכבה החמישית בטבלה לעיל עלולה לגרום לך הרבה צרות. כמו כן, ראוי לציין כי אם תהליך הלחמת הגל מתוכנן עבור משטח הריתוך, יש להימנע מלסבך את התהליך על ידי הנחת כמה SMDS על משטח הריתוך.       

(2) פריסת רכיבים 

לפריסה של רכיבי PCB יש השפעה חשובה מאוד על יעילות הייצור ועלות והיא מהווה מדד חשוב למדידת עיצוב ה-PCB של יכולת החיבור. באופן כללי, הרכיבים מסודרים בצורה אחידה, קבועה ומסודרת ככל האפשר, ומסודרים באותו כיוון וחלוקת קוטביות. הסידור הרגיל נוח לבדיקה ותורם לשיפור מהירות התיקון/חיבור, פיזור אחיד תורם לפיזור חום ואופטימיזציה של תהליך הריתוך. מצד שני, על מנת לפשט את התהליך, מתכנני PCB תמיד צריכים להיות מודעים לכך שניתן להשתמש רק בתהליך ריתוך קבוצתי אחד של ריתוך חוזר וריתוך גלים משני צידי ה-PCB. זה ראוי לציון במיוחד בצפיפות ההרכבה, משטח ריתוך PCB חייב להיות מופץ עם יותר רכיבי תיקון. על המעצב לשקול באיזה תהליך ריתוך קבוצתי להשתמש עבור הרכיבים המותקנים על משטח הריתוך. רצוי להשתמש בתהליך הלחמת גל לאחר ריפוי תיקון כדי לרתך את הפינים של ההתקנים המחוררים על פני הרכיב בו זמנית. עם זאת, לרכיבי תיקון ריתוך גלים יש אילוצים קפדניים יחסית, רק עמידות שבב בגודל 0603 ומעלה, ריתוך SOT, SOIC (מרווח פינים ≥1 מ"מ וגובה פחות מ-2.0 מ"מ). עבור רכיבים המפוזרים על משטח הריתוך, כיוון הפינים צריך להיות בניצב לכיוון השידור של PCB במהלך ריתוך פס הגל, על מנת להבטיח שקצוות הריתוך או מובילים משני צידי הרכיבים שקועים בריתוך בו זמנית. סדר הסידור והמרווח בין רכיבים סמוכים צריכים לעמוד גם בדרישות של ריתוך פסי גל כדי למנוע את "אפקט המיגון", כפי שמוצג באיור. 1. בעת שימוש בהלחמת גל SOIC ורכיבים מרובי פינים אחרים, יש להגדיר לכיוון זרימת הפח בשתי רגליות הלחמה (כל צד 1), כדי למנוע ריתוך רציף.                           

רכיבים מסוג דומה צריכים להיות מסודרים באותו כיוון על הלוח, מה שמקל על הרכבה, בדיקה וריתוך של הרכיבים. לדוגמה, העובדה שהמסופים השליליים של כל הקבלים הרדיאליים פונים לצד ימין של הלוח, שכל חריצי ה-DIP פונים לאותו כיוון וכו', יכולים להאיץ את המכשור ולהקל על מציאת שגיאות. כפי שמוצג באיור 2, מכיוון שלוח A מאמץ שיטה זו, קל למצוא את הקבל ההפוך, בעוד שללוח B לוקח יותר זמן למצוא אותו. למעשה, חברה יכולה לתקן את הכיוון של כל רכיבי המעגלים שהיא מייצרת. פריסות לוח מסוימות אולי לא בהכרח מאפשרות זאת, אבל זה צריך להיות מאמץ.         

אילו בעיות ייצור יש לקחת בחשבון בתכנון PCB 

כמו כן, סוגי רכיבים דומים צריכים להיות מוארקים יחד ככל האפשר, כאשר כל רגלי הרכיבים באותו כיוון, כפי שמוצג באיור 3.  

עם זאת, המחבר אכן נתקל במספר לא מבוטל של PCBS, שבהם צפיפות ההרכבה גבוהה מדי, ומשטח הריתוך של ה-PCB חייב להיות מופץ גם עם רכיבים גבוהים כמו קבלי טנטלום והשראת תיקון, כמו גם SOIC ו-TSOP עם מרווחים דקים. במקרה זה, ניתן להשתמש רק בדבק הלחמה מודפס דו-צדדי לריתוך בזרימה חוזרת, ויש לרכז רכיבי פלאג-אין ככל האפשר בחלוקת הרכיבים כדי להתאים אותם לריתוך ידני. אפשרות נוספת היא שהאלמנטים המחוררים על פני הרכיב יהיו מופצים ככל האפשר במספר קווים ישרים עיקריים כדי להתאים לתהליך הלחמת הגל הסלקטיבי, שיכול למנוע ריתוך ידני ולשפר את היעילות, ולהבטיח את איכות הריתוך. חלוקת מפרק הלחמה בדידה היא טאבו מרכזי בהלחמת גל סלקטיבית, שתכפיל את זמן העיבוד.         

בעת התאמת מיקום הרכיבים בקובץ הלוח המודפס, יש לשים לב להתאמה האחד לאחד בין רכיבים לסמלי הדפס משי. אם הרכיבים יוזזו ללא הזזה מתאימה של סמלי הדפס המשי לצד הרכיבים, זה יהפוך למפגע איכות גדול בייצור, כי בייצור בפועל, סמלי הדפס משי הם שפת התעשייה שיכולה להנחות את הייצור. 

2.2 ה-PCB חייב להיות מצויד בקצוות הידוק, סימני מיקום וחורי מיקום תהליך הדרושים לייצור אוטומטי.    

נכון להיום, הרכבה אלקטרונית היא אחת מהענפים עם מידה של אוטומציה, ציוד האוטומציה המשמש בייצור דורש הילוכים אוטומטיים של PCB, כך שכיוון ההולכה של PCB (בדרך כלל לכיוון הצד הארוך), לכל אחד העליון והתחתון יש קצה הידוק ברוחב של לא פחות מ-3-5 מ"מ, על מנת להקל על תיבת הילוכים אוטומטית, הימנעו מהידוק אוטומטי ליד קצה הלוח עקב הידוק אוטומטי.         

תפקידם של סמני מיקום הוא ש-PCB צריך לספק לפחות שניים או שלושה סמני מיקום עבור מערכת הזיהוי האופטית כדי לאתר במדויק את ה-PCB ולתקן שגיאות עיבוד PCB עבור ציוד ההרכבה שנמצא בשימוש נרחב במיקום אופטי. מבין סמני המיקום הנפוצים, שניים חייבים להיות מופצים על האלכסון של ה-PCB. בחירת סימני המיקום משתמשת בדרך כלל בגרפיקה סטנדרטית כגון רפידה עגולה מוצקה. על מנת להקל על הזיהוי, צריך להיות אזור ריק מסביב לסימנים ללא תכונות או סימנים אחרים של המעגל, שגודלם לא צריך להיות קטן מקוטר הסימנים (כמתואר באיור 4), והמרחק בין הסימנים לקצה הלוח צריך להיות יותר מ-5 מ"מ.             

בייצור של PCB עצמו, כמו גם בתהליך ההרכבה של חיבור חצי אוטומטי, בדיקות ICT ותהליכים נוספים, PCB צריך לספק שניים עד שלושה חורי מיקום בפינות.       

2.3 שימוש רציונלי בפאנלים לשיפור יעילות הייצור והגמישות 

בעת הרכבת PCB עם גדלים קטנים או צורות לא סדירות, הוא יהיה כפוף להגבלות רבות, ולכן בדרך כלל מקובל להרכיב מספר PCB קטנים לתוך PCB בגודל מתאים, כפי שמוצג באיור 5. באופן כללי, PCB עם גודל צד בודד של פחות מ-150 מ"מ יכול להיחשב לאמץ את שיטת השחבור. על ידי שניים, שלוש, ארבע וכו', ניתן לחבר את הגודל של PCB גדול לטווח העיבוד המתאים. בדרך כלל, PCB עם רוחב של 150 מ"מ ~ 250 מ"מ ואורך של 250 מ"מ ~ 350 מ"מ הוא הגודל המתאים יותר בהרכבה אוטומטית.                         

דרך נוספת של הלוח היא לסדר את ה-PCB עם SMD משני הצדדים של איות חיובי ושלילי ללוח גדול, לוח כזה מכונה בדרך כלל Yin ויאנג, בדרך כלל לשיקול של חיסכון בעלויות של לוח המסך, כלומר, דרך לוח כזה, צריך במקור שני צדדים של לוח המסך, עכשיו צריך רק לפתוח לוח מסך. בנוסף, כאשר הטכנאים מכינים את תוכנית הריצה של מכונת ה-SMT, גם יעילות תכנות ה-PCB של Yin ויאנג גבוהה יותר.             

כאשר הלוח מחולק, החיבור בין לוחות המשנה יכול להתבצע מחריצים בצורת V כפולים, חורי חריצים ארוכים וחורים עגולים וכו', אך יש להתייחס לעיצוב עד כמה שניתן לעשות את קו ההפרדה בקו ישר, על מנת להקל על הלוח, אך גם לקחת בחשבון שצד ההפרדה לא יכול להיות קרוב מדי לקו ה-PCB כך שהלוח יהיה קל לנזק.     

יש גם לוח חסכוני מאוד ואינו מתייחס ללוח ה-PCB, אלא לרשת של הלוח הגרפי של הרשת. עם היישום של מכונת הדפסה אוטומטית של משחת הלחמה, מכונת הדפוס המתקדמת יותר הנוכחית (כגון DEK265) אפשרה בגודל של רשת פלדה 790×790 מ"מ, להגדיר תבנית רשת PCB רב צדדית, להשיג חתיכת רשת פלדה להדפסה של מספר מוצרים, שיטת חיסכון רבה, מתאימה במיוחד למגוון אצווה קטן של יצרן.             

2.4 שיקולים של עיצוב יכולת בדיקה 

תכנון הבדיקה של SMT מיועד בעיקר למצב ציוד ה-ICT הנוכחי. בעיות בדיקה לייצור שלאחר הייצור נלקחות בחשבון בתכנון מעגלים ו-PCB SMB צמודים על פני השטח. כדי לשפר את תכנון הבדיקה, יש לשקול שתי דרישות של תכנון תהליך ותכנון חשמלי.       

2.4.1 דרישות לתכנון תהליך 

דיוק המיקום, הליך ייצור המצע, גודל המצע וסוג הבדיקה הם כולם גורמים המשפיעים על מהימנות הבדיקה. 

(1) חור מיקום. השגיאה של מיקום חורים על המצע צריכה להיות בטווח של ±0.05 מ"מ. הגדר לפחות שני חורי מיקום רחוק ככל האפשר. השימוש בחורי מיקום לא מתכתיים כדי להפחית את עובי ציפוי ההלחמה אינו יכול לעמוד בדרישות הסובלנות. אם המצע מיוצר כמכלול ולאחר מכן נבדק בנפרד, חורי המיקום חייבים להיות ממוקמים על לוח האם ועל כל מצע בודד.    

(2) קוטר נקודת הבדיקה אינו פחות מ-0.4 מ"מ, והמרווח בין נקודות הבדיקה הסמוכות הוא יותר מ-2.54 מ"מ, לא פחות מ-1.27 מ"מ.        

(3) אין להניח רכיבים שגובהם גבוה מ*מ"מ על משטח הבדיקה, דבר שיגרום למגע לקוי בין הבדיקה של מתקן הבדיקה המקוון לנקודת הבדיקה.  

(4) הנח את נקודת הבדיקה במרחק של 1.0 מ"מ מהרכיב כדי למנוע נזק פגיעה בין הבדיקה לרכיב. לא אמורים להיות רכיבים או נקודות בדיקה בטווח של 3.2 מ"מ מהטבעת של חור המיקום.      

(5) נקודת הבדיקה לא תוגדר בטווח של 5 מ"מ מקצה ה-PCB, המשמש להבטחת מתקן ההידוק. אותו יתרון תהליך נדרש בדרך כלל בציוד לייצור מסוע וציוד SMT.      

(6) כל נקודות הזיהוי יהיו משומרות או חומרים מוליכים מתכתיים בעלי מרקם רך, חדירות קלה ואי חמצון ייבחרו כדי להבטיח מגע אמין ולהאריך את חיי השירות של הגשושית.  

(7) לא ניתן לכסות את נקודת הבדיקה על ידי התנגדות הלחמה או דיו טקסט, אחרת היא תפחית את שטח המגע של נקודת הבדיקה ותפחית את אמינות הבדיקה.  

2.4.2 דרישות לתכנון חשמל 

(1) יש להוביל את נקודת הבדיקה SMC/SMD של משטח הרכיב אל משטח הריתוך דרך החור ככל האפשר, וקוטר החור צריך להיות גדול מ-1 מ"מ. בדרך זו ניתן להשתמש במיטות מחטים חד-צדדיות לבדיקות מקוונות, ובכך להוזיל את עלות הבדיקה המקוונת.      

(2) לכל צומת חשמלי חייבת להיות נקודת בדיקה, ולכל IC חייבת להיות נקודת בדיקה של POWER ו-GROUND, וקרוב ככל האפשר לרכיב זה, בטווח של 2.54 מ"מ מה-IC.          

(3) ניתן להגדיל את רוחב נקודת הבדיקה לרוחב 40 מיל כאשר היא מוגדרת על ניתוב המעגל.    

(4) פיזור שווה של נקודות הבדיקה על הלוח המודפס. אם הבדיקה מרוכזת באזור מסוים, הלחץ הגבוה יותר יעוות את הצלחת או מצע המחט הנבדקים, וימנע עוד יותר מחלק מהבדיקה להגיע לנקודת הבדיקה.  

(5) יש לחלק את קו אספקת החשמל בלוח המעגלים לאזורים כדי להגדיר את נקודת השבירה של הבדיקה, כך שכאשר קבל ניתוק הכוח או רכיבים אחרים בלוח מופיעים קצרים במעגל החשמלי, מצאו את נקודת התקלה במהירות ובדיוק רב יותר. בעת תכנון נקודות שבירה, יש לקחת בחשבון את יכולת נשיאת הכוח לאחר חידוש נקודת השבירה.  

איור 6 מציג דוגמה של עיצוב נקודת בדיקה. כרית הבדיקה נקבעת ליד מוביל הרכיב על ידי חוט ההארכה או שצומת הבדיקה משמש את המשטח המחורר. אסור בתכלית האיסור לבחור את צומת הבדיקה על מפרק ההלחמה של הרכיב. בדיקה זו עשויה לגרום למפרק הריתוך הווירטואלי להיחלץ למיקום האידיאלי תחת לחץ הבדיקה, כך שתקלת הריתוך הוירטואלית תכוסה ויתרחש מה שנקרא "אפקט מיסוך תקלות". הבדיקה עשויה לפעול ישירות על נקודת הקצה או הפין של הרכיב עקב הטיית הבדיקה הנגרמת על ידי שגיאת המיקום, מה שעלול לגרום נזק לרכיב.   

אילו בעיות ייצור יש לקחת בחשבון בתכנון PCB? 

3. דברי סיום על עיצוב PCB  

האמור לעיל הם כמה מהעקרונות העיקריים שיש לקחת בחשבון בתכנון PCB. בתכנון הייצור של PCB מכוון להרכבה אלקטרונית, יש די הרבה פרטים, כמו סידור סביר של החלל התואם עם חלקי המבנה, חלוקה סבירה של גרפיקה וטקסט משי, חלוקה הולמת של מיקום מכשירי חימום כבדים או גדולים, בשלב התכנון של PCB, יש צורך להגדיר את נקודת הבדיקה ולבחון את חלל הבדיקה במיקום ההפרעה והמחסום המתאים בין הרכיבים הסמוכים וההצמדה. מותקן על ידי תהליך המשיכה והלחץ. מעצב PCB, לא רק שוקל כיצד להשיג ביצועים חשמליים טובים ופריסה יפה אלא גם נקודה חשובה לא פחות שהיא יכולת ייצור בתכנון PCB, על מנת להשיג איכות גבוהה, יעילות גבוהה, עלות נמוכה.