Fisika Penempatan: Mengapa FiducialRel Kereta Gagal pada Desain Fine-Pitch

Biasanya terjadi pada suatu sore hari Selasa, saat garis produksi meningkat untuk pesanan mendesak. Mesin penempatan—mungkin Panasonic NPM atau Juki berkecepatan tinggi—sedang berdengung, conveyor bergerak, dan metrik dashboard berwarna hijau. Throughput teoritis terlihat tinggi. Mesin menemukan fiducials global di rel panel tanpa satu pun log error. Menurut geometri koordinat dalam file penempatan, semuanya sempurna.

Kemudian papan keluar dari oven reflow.

Anda melihat melalui mikroskop dan melihat bencana itu. Setiap 0.4mm pitch QFN bergeser 0.15mm ke kiri. Pad-padjadi jembatan. Komponen pasif 0201 tertimbun atau miring dari zona pendaratan mereka. Anda memegang sebuah panel konfeti mahal.

Manajer proyek ingin tahu mengapa mesin gagal. Tapi mesin tidak gagal. Mesin melakukan apa yang diperintahkan sesuai dengan referensi yang diberikan. Gagal terjadi berminggu-minggu lalu, di dalam perangkat lunak CAD, saat seorang perancang memutuskan bahwa tiga fiducials di rel panel sudah "cukup baik" untuk seluruh perakitan.

Geometri dari Kebohongan

Ada kesalahpahaman mendasar dalam desain PCB yang memperlakukan papan sebagai grid kaku dan tidak berubah. Dalam lingkungan CAD, jarak antara titik asal (0,0) dan pad komponen di (250, 150) adalah absolut matematis. Itu tidak pernah berubah.

Di lantai pabrik, grid itu adalah sebuah kebohongan.

Ketika mesin mengunci sebuah panel, mesin mencari fiducials global—lingkaran tembaga itu biasanya terletak di rel limbah atau sudut papan. Mesin menghitung posisi papan berdasarkan titik-titik tersebut. Jika papan diputar sedikit—kesalahan "theta"—mesin mengkompensasi secara matematis, memutar sistem koordinat internalnya agar sesuai dengan papan.

Masalahnya adalah bahwa geometri memanfaatkan kesalahan berdasarkan jarak. Kesalahan rotasi sebesar 0,05 derajat di rel mungkin menghasilkan pergeseran yang dapat diabaikan untuk komponen yang berjarak 10mm. Tetapi untuk komponen yang berada di tengah panel 300mm, kesalahan sudut kecil yang sama bertransformasi menjadi ayunan lateral besar. Mesin mengira sedang menempatkan bagian pada koordinat yang tepat, tetapi karena titik referensi sangat jauh, "lingkar pengungkit" dari kesalahan memperbesar drift tersebut.

Anda meminta mesin untuk memasang jarum dari seberang ruangan berdasarkan peta yang digambar seseorang di atas serbet. Tidak masalah jika brosur mesin mengklaim ketelitian 30 mikron. Ketelitian itu bersifat relatif terhadap referensi yang dilihatnya. Jika referensi berada di rel dan target berjarak 150mm, Anda sedang melawan trigonometri, dan trigonometri selalu menang.

FR-4 adalah Spons yang Hidup

Pengungkit geometris cukup buruk, tetapi itu mengasumsikan papan itu sendiri stabil. Tidak begitu. Kita cenderung menganggap PCB sebagai pelat baja, tetapi mereka adalah komposit dari kaca anyaman dan resin epoxy. Mereka lebih dekat dengan kain kaku daripada logam yang diproses dengan mesin.

FR-4 adalah bahan yang hidup dan bergerak. Ia bernafas dengan suhu. Ketika Anda menjalankan perakitan berlapis ganda, papan tersebut melewati oven reflow untuk sisi pertama, melihat suhu hingga 240°C. Bahan tersebut mengembang. Serat kaca menahan ketegangan. Resin mengeras lebih lanjut. Ketika mendingin, ia tidak kembali ke dimensi aslinya yang tepat. Ia menyusut, melengkung, dan berputar.

Jika Anda berurusan dengan sirkuit fleksibel atau bahan polimida, kenyataan ini bahkan lebih keras. Panel fleksibel bisa meregang secara non-linear, yang berarti satu sudut mungkin berkembang sebesar 0,1mm sementara pusatnya berkembang sebesar 0,3mm.

Dari perspektif mesin, ini adalah mimpi buruk. Ia membaca fiducial rel, mengukur jarak di antaranya, dan memperhatikan papan mengerut sebesar 0,5mm sepanjang panjangnya. Mesin kelas atas dari ASM atau Mycronic memiliki algoritma 'kompensasi penyusutan' yang mencoba mengimbangi kesalahan ini di seluruh papan dengan memperkecil koordinat penempatan.

Tapi penskalaan ini mengasumsikan distorsi bersifat linier—bahwa papan mengembang secara merata seperti karet gelang. Pada kenyataannya, papan mengalami distorsi seperti spons basah yang mengering di bawah matahari. Distorsi lokal di dekat BGA dengan pitch kecil di pusat mungkin sangat berbeda dari distorsi di dekat konektor tepi. Mesin, yang hanya melihat rel, tidak bisa mengetahui hal ini. Ia menerapkan solusi global terhadap masalah lokal.

Ini juga alasan mengapa Anda melihat masalah penjajaran stensil yang meniru kesalahan penempatan. Jika pencetak stensil Anda menyelaraskan ke fiducial rel yang sama, itu juga menebak di mana posisi pad. Anda akhirnya mendapatkan pasta solder yang ters deposit setengah di, setengah di luar pad, dan komponen yang dipasang setengah di atas, setengah di atas pasta. Hasilnya adalah cacat reflow yang dijamin.

Perbaikan Lokal

Hanya ada satu cara untuk mengalahkan fisika distorsi dan geometri pengungkit: Fiducial Lokal.

Fiducial lokal adalah tanda referensi yang ditempatkan tepat di samping komponen pitch halus. Dengan ‘samping,’ maksud kami adalah dalam blok fungsional yang sama, seringkali dalam jarak 10-20mm dari target.

Ketika Anda memaksa mesin menggunakan fiducial lokal, Anda mengubah permainan. Mesin memindahkan kamera ke area komponen, menemukan tanda lokal, dan mengatur ulang titik asalnya. Sekarang, ‘lengan pengungkit’ dari kesalahan rotasi apa pun hampir nol. Mesin tidak peduli jika rel panel meleset 5mm, atau papan melengkung 1mm sepanjang panjangnya. Ia hanya peduli tentang hubungan antara tanda lokal tersebut dan pad yang tepat di sampingnya.

Ini menciptakan ‘jendela kebenaran’ di sekitar komponen. Di dalam jendela itu, ketelitian relatif sangat tinggi karena referensinya segera.

Perancang sering menolak ini. Mereka berpendapat mereka tidak memiliki ruang. Mereka ingin menyimpan kotak 1mm x 1mm itu untuk jalur atau via. Tapi Anda harus bertanya: apa biaya dari ruang itu dibandingkan biaya pekerjaan ulang? Jika Anda menempatkan QFN dengan pitch 0,4mm, BGA dengan pitch 0,5mm, atau konektor berdensitas tinggi, Anda tidak sedang bernegosiasi dengan operator; Anda sedang melawan matematika.

Aturan praktisnya sederhana: Jika pitch komponen adalah 0,5mm atau kurang, maka memerlukan fiducial lokal. Jika komponen adalah BGA dengan lebih dari 400 pin, maka memerlukan fiducial lokal. Dua tanda diperlukan untuk mengoreksi rotasi—biasanya ditempatkan secara diagonal melintasi badan komponen. Satu tanda tidak berguna untuk rotasi; itu hanya memberi Anda translasi (X/Y).

Jalan Pintas Favorit Perancang (Yang Tidak Berfungsi)

Ketika diberitahu bahwa mereka membutuhkan referensi lokal, perancang yang cerdas sering mencoba menipu sistem. Upaya yang paling umum adalah “Via sebagai Fiducial.”

Mereka akan menunjuk ke sebuah via dekat komponen dan bertanya, “Bukankah kamu bisa memberi tahu kamera untuk melihat lubang itu?”

Tidak.

Berkas bor mekanis sering menyimpang. Toleransi posisi lubang bor biasanya +/- 0,1mm atau lebih buruk, tergantung pada tumpukan bor dari pabrik. Selain itu, pelapisan di sekitar lubang bisa tidak beraturan. Sistem visi mesin bekerja berdasarkan kontras—secara khusus, kontras antara tembaga emas/langka dan timbal yang gelap. Sebuah via adalah target optik yang berantakan. Ia memiliki kedalaman, bayangan, dan tepi yang tidak beraturan.

Menggunakan via sebagai titik penyesuaian seperti mencoba mengkalibrasi senapan sniper menggunakan target yang dilukis di balon yang ditiup angin. Kamu memperkenalkan lebih banyak kesalahan ke dalam sistem daripada yang dihilangkan.

Demikian pula, jangan bergantung pada bukaan pelapisan timbal pada pad itu sendiri. Toleransi registrasi pelapisan timbal longgar (sekitar +/- 75 mikron). Pad tembaga adalah satu-satunya hal yang penting secara elektrik, jadi tanda penyesuaian harus diukir di lapisan tembaga yang sama dengan pad. Itu satu-satunya cara untuk menjamin mereka bergerak bersama.

Inti dari Masalah

Ini bukan tentang cara mengatur ini di perangkat lunak CAD Anda—itu adalah tutorial yang dapat Anda temukan di tempat lain. Ini tentang kelangsungan produksi Anda.

Fiducial global di rel membantu papan masuk ke mesin. Mereka menangani penyesuaian kasar yang diperlukan untuk mengangkut panel dan menempatkan bagian besar yang toleran seperti kapasitor elektrolitik atau induktor besar.

Tetapi fiducial lokal menempatkan bagian ke atas pad. Mereka adalah satu-satunya pertahanan terhadap penyimpangan, penjajaran, dan meregangkannya realitas proses manufaktur. Menghilangkannya untuk menghemat ruang adalah ekonomi palsu. Kamu menghemat satu milimeter FR-4, tetapi membayarnya dengan jam kerja teknisi, biaya inspeksi X-ray, dan “confetti mahal” dari panel yang disingkirkan.

Rancang untuk kenyataan bahan, bukan kesempurnaan grid.