De fysica van plaatsing: waarom railfiducials falen bij fijn-pitch ontwerpen

Het gebeurt meestal op een dinsdagmiddag, net terwijl de productielijn zich voorbereidt op een spoedbestelling. De pick-and-place machine—misschien een Panasonic NPM of een high-speed Juki—zoeft verder, de transportband beweegt, en de dashboard-metrics zijn groen. De theoretische doorvoer lijkt hoog. De machine vindt de globale fiducials op de paneelrails zonder een enkele foutmelding. Volgens de coordinaatgegen- geometrie in het plaatsingsbestand is alles perfect.

Dan komen de borden uit de reflowoven.

Je kijkt onder de microscoop en ziet de ramp. Elke 0,4 mm pitch QFN is 0,15 mm naar links verschoven. De pads zijn overbrugd. De 0201-passieve componenten liggen als grafkruisen, of scheef op hun landingszones. Je houdt een paneel van duur confetti vast.

De projectmanager wil weten waarom de machine faalde. Maar de machine is niet gefaald. Het deed precies wat het was verteld op basis van de referenties die het kreeg. De storing was weken geleden, binnen een CAD-softwarepakket, toen een ontwerper besloot dat drie fiducials op de paneelrails 'goed genoeg' waren voor de hele assemblage.

De Geometrie van de Leugen

Er bestaat een fundamenteel misverstand in PCB-ontwerp dat het bord behandelt als een stijve, onveranderlijke raster. In de CAD-omgeving is de afstand tussen het oorsprongspunt (0,0) en een componentpad op (250, 150) een wiskundig absoluut. Het verandert nooit.

Op de fabrieksvloer is dat raster een leugen.

Wanneer een machine een paneel klemvastzet, zoekt het naar de globale fiducials—die koperen cirkels die meestal op de afvalrails of de hoeken van het bord zitten. Het berekent de positie van het bord op basis van die punten. Als het bord lichtjes is gedraaid—een 'theta'-fout—compenseert de machine dit mathematisch door haar interne coördinatensysteem te draaien om overeen te komen met het bord.

Het probleem is dat geometrie een fout over de afstand benut. Een rotatiefout van slechts 0,05 graden bij de rail kan leiden tot een verwaarloosbare verschuiving voor een component 10 mm ervan vandaan. Maar voor een component in het midden van een 300 mm paneel vertaalt diezelfde kleine hoekfout zich in een enorme laterale zwaai. De machine denkt dat ze het onderdeel op de perfecte coördinaat plaatst, maar omdat het referentiepunt zo ver weg is, wordt de 'hefboomarm' van de fout versterkt door de verschuiving.

Je vraagt een machine om met een speld door een naald te naaien vanuit de andere kant van de kamer, op basis van een kaart die iemand op een servet heeft getekend. Het maakt niet uit of de brochure van de machine beweert dat de nauwkeurigheid 30 micron is. Die nauwkeurigheid is relatief ten opzichte van de referentie die het ziet. Als de referentie op de rail ligt en het doel 150 mm verder is, vecht je tegen de driehoekstrekking, en die wint altijd.

FR-4 is een Levende Spons

De geometrische hefboomwerking is al erg, maar gaat ervan uit dat het bord zelf stabiel is. Dat is het niet. We denken vaak dat PCB's stalen platen zijn, maar ze zijn composieten van geweven glas en epoxyhars. Ze lijken meer op een stijve stof dan op bewerkt metaal.

FR-4 is een levend, bewegend materiaal. Het ademt mee met de temperatuur. Wanneer je een dubbelzijdige samenstelling runt, gaat dat bord door een reflow-oven voor de eerste zijde, met temperaturen boven de 240°C. Het materiaal zet uit. De glasvezels houden spanning vast. De hars uithardt verder. Als het afkoelt, keert het niet terug naar de exacte oorspronkelijke afmetingen. Het krimpt, vervormt en draait.

Als je te maken hebt met flexibele circuits of polyimidematerialen, is die realiteit nog geweldiger. Een flexpanelen kunnen niet-lineair uitrekken, wat betekent dat één hoek met 0,1 mm kan groeien terwijl het midden met 0,3 mm uitzet.

Van het perspectief van de machine is dit een nachtmerrie. Het leest de rails fiducials, meet de afstand daartussen, en merkt op dat het bord 0,5 mm gekrompen is over zijn lengte. High-end machines van ASM of Mycronic hebben 'krimpcompensatie'-algoritmes die proberen deze fout te egaliseren door de positioneringscoördinaten te schalen.

Maar deze schaalvergroting gaat ervan uit dat de vervorming lineair is—dat het bord gelijkmatig is uitgerekt als een rubberen band. In werkelijkheid vervormt het bord als een natte spons die in de zon droogt. De lokale vervorming nabij de fijne-pitch BGA in het midden kan heel anders zijn dan die nabij de randconnectoren. De machine, die alleen naar de rails kijkt, heeft hier geen manier om dit te weten. Het past een wereldwijde oplossing toe op een lokaal probleem.

Dit is ook de reden waarom je stanslijnenuitlijning ziet die op placeringsfouten lijken. Als je stencilprinter zich richt op dezelfde rails fiducials, raadt hij ook waar de pads zijn. Je eindigt met soldeerpasta die half op, half naast de pad is aangebracht, en het component dat half op, half naast de pasta geplaatst is. Het resultaat is gegarandeerd een reflowfout.

De Lokale Fix

Er is maar één manier om de fysica van vervorming en de geometrie van hefboomwerking te overwinnen: lokale fiducials.

Een lokale fiducial is een referentiemarkering die direct naast het fijn-pitch component wordt geplaatst. Met 'naast' bedoelen we binnen hetzelfde functionele blok, vaak binnen 10-20 mm van het doel.

Als je de machine dwingt om gebruik te maken van lokale fiducials, verander je het spel. De machine beweegt de camera naar het componentgebied, vindt de lokale marks en reset zijn oorsprongspunt. Nu is de 'hefboom' van elke rotatiefout vrijwel nul. De machine geeft niet om of de paneelrail 5 mm afwijkt, of dat het bord 1 mm vervormt over zijn lengte. Het geeft alleen om de relatie tussen die lokale marks en de pads ernaast.

Dit creëert een 'waarheid venster' rond het component. Binnen dat venster is de relatieve nauwkeurigheid uiterst hoog omdat de referentie direct is.

Ontwerpers dringen hier vaak op aan. Ze beweren dat ze geen ruimte hebben. Ze willen die 1 mm x 1 mm vierkantje bewaren voor een spoor of een via. Maar je moet vragen: wat is de kosten van die ruimte versus de kosten van herwerk? Als je een QFN met een pinpitch van 0,4 mm plaatst, een BGA met meer dan 400 pennen, of een hoge-dichtheid connector, dan onderhandelt je niet met een operator; je vecht tegen de wiskunde.

De vuistregel is eenvoudig: Als de componentpitch 0,5 mm of minder is, zijn lokale fiducials vereist. Als de component een BGA is met meer dan 400 pennen, zijn lokale fiducials vereist. Twee marks zijn nodig om te corrigeren voor rotatie—meestal diagonaal geplaatst over de component. Eén mark is nutteloos voor rotatie; het geeft alleen translatie (X/Y).

Populaire shortcuts van ontwerpers (die niet werken)

Als ze horen dat ze lokale referenties nodig hebben, proberen slimme ontwerpers vaak het systeem te bedriegen. De meest voorkomende poging is de “Via als Fiduciaal.”

Ze wijzen naar een via in de buurt van het onderdeel en vragen: “Kun je de camera niet gewoon naar dat gat laten kijken?”

Nee.

Een mechanisch boorbitje dwaalt. De tolerantie op de positie van een geboord gat is vaak +/- 0,1 mm of slechter, afhankelijk van de booropstelling van het fabrieksgebouw. Bovendien kan de plating rond het gat onregelmatig zijn. Een machinevisiesysteem werkt op contrast—specifiek het contrast tussen het glanzende koper/goud/lijm en de donkere soldeermasker. Een via is een rommelig optisch doelwit. Het heeft diepte, schaduwen en onregelmatige randen.

Het gebruik van een via als uitlijnpunt is alsof je probeert een sluipschuttersgeweer te kalibreren met een doel op een ballon die in de wind wappert. Je brengt meer fout in het systeem dan dat je verwijdert.

Evenzo, vertrouw niet op de soldeermasker-openingen van de pads zelf. De tolerantie voor soldeermaskerregistratie is los (ongeveer +/- 75 micron). Het koperen pad is het enige dat elektrisch belangrijk is, dus het uitlijnmerk moet in dezelfde koperslaag worden geëtst als het pad. Dat is de enige manier om te garanderen dat ze samen bewegen.

De Onderste Lijn

Het gaat hier niet over hoe je deze instelt in je CAD-software—dat is een tutorial die je elders kunt vinden. Dit gaat over het overleven van je productieproces.

Globale fiducials op de rails brengen het bord in de machine. Ze zorgen voor de grove uitlijning die nodig is om het paneel te transporteren en de grote, vergevingsgezinde onderdelen zoals electrolytische condensatoren of grote inductoren te plaatsen.

Maar lokale fiducials brengen het onderdeel op de pads. Ze zijn de enige verdediging tegen de kromming, torsie en uitrekking van de realiteit van het productieproces. Het weglaten ervan om ruimte te besparen is valse zuinigheid. Je bespaart een millimeter FR-4, maar je betaalt er uren technieker-werk, X-ray inspectiekosten, en de “duurdere confetti” van een afgekeurd paneel.

Ontwerp voor de realiteit van het materiaal, niet voor de perfectie van het raster.