A Física do Posicionamento: Por que marcas de trilhos falham em projetos de alta densidade

Normalmente acontece numa tarde de terça-feira, assim que a linha está acelerando para um pedido de urgência. A máquina de pick-and-place—talvez uma Panasonic NPM ou uma Juki de alta velocidade—está funcionando, o transportador está se movendo e as métricas do painel estão verdes. A capacidade teórica parece alta. A máquina está encontrando os fiduciais globais nas trilhas do painel sem um único erro registrado. Segundo a geometria de coordenadas no arquivo de posicionamento, tudo está perfeito.

Depois, as placas saem do forno de refloge.

Você olha debaixo do microscópio e vê o desastre. Cada QFN de passo 0,4mm está deslocado 0,15mm para a esquerda. Os pads estão em ponte. Os passivos 0201 estão tombados ou desajustados de suas zonas de aterramento. Você está segurando um painel de confete caro.

O gerente de projeto quer saber por que a máquina falhou. Mas ela não falhou. Ela fez exatamente o que foi instruída, com base nas referências fornecidas. A falha ocorreu semanas atrás, dentro de um software CAD, quando um designer decidiu que três fiduciais nas trilhas do painel eram 'bons o suficiente' para toda a montagem.

A Geometria da Mentira

Há uma compreensão fundamental em design de PCB que trata a placa como uma grade rígida e imutável. No ambiente CAD, a distância entre o ponto de origem (0,0) e um pad de componente em (250, 150) é uma absoluta matemática. Ela nunca muda.

No chão da fábrica, essa grade é uma mentira.

Quando uma máquina prende um painel, ela busca os fiduciais globais—esses círculos de cobre geralmente nas trilhas de desperdício ou nos cantos da placa. Ela calcula a posição da placa com base nesses pontos. Se a placa estiver levemente rotacionada—um erro de 'theta'—a máquina compensa matematicamente, rotacionando seu sistema de coordenadas interno para corresponder à placa.

O problema é que a geometria aproveita o erro à distância. Um erro de rotação de apenas 0,05 graus na trilha pode resultar em um deslocamento insignificante para um componente a 10mm de distância. Mas para um componente no centro de um painel de 300mm, esse mesmo pequeno erro angular se traduz em uma grande oscilação lateral. A máquina pensa que está colocando a peça na coordenada perfeita, mas porque o ponto de referência está tão longe, o 'braço de alavanca' do erro amplifica o desvio.

Você está pedindo para uma máquina colocar uma agulha em um ponto de um lado da sala, com base em um mapa que alguém desenhou em um guardanapo. Não importa se o folheto da máquina afirma precisão de 30 microns. Essa precisão é relativa à referência que ela vê. Se a referência estiver no trilho e o alvo estiver a 150mm de distância, você está lutando contra a trigonometria, e a trigonometria sempre vence.

FR-4 é uma Esponja Vivo

A alavancagem geométrica já é ruim o suficiente, mas ela pressupõe que a placa em si seja estável. Não é. Costumamos pensar em PCBs como placas de aço, mas elas são compósitos de vidro tecido e resina epóxi. Elas são mais parecidas com um tecido rígido do que com metal usinado.

FR-4 é um material vivo, em movimento. Ele respira com a temperatura. Quando você faz um conjunto de dupla face, essa placa passa por um forno de ressolda na primeira face, atingindo temperaturas superiores a 240°C. O material se expande. As fibras de vidro mantêm a tensão. A resina cura ainda mais. Quando esfria, ela não volta às suas dimensões exatas originais. Ela encolhe, deforma e torce.

Se você estiver lidando com circuitos flexíveis ou materiais de poliamida, essa realidade é ainda mais violenta. Um painel flexível pode alongar-se de forma não linear, significando que um canto pode expandir 0,1mm enquanto o centro expande 0,3mm.

Do ponto de vista da máquina, isso é um pesadelo. Ela lê os fiduciais do trilho, mede a distância entre eles e percebe que a placa encolheu 0,5mm ao longo de seu comprimento. Máquinas de alto nível, da ASM ou Mycronic, possuem algoritmos de “compensação de encolhimento” que tentam equilibrar esse erro ao longo da placa, escalando as coordenadas de posicionamento.

Mas essa escala assume que a distorção é linear—que a placa se alongou uniformemente como um elástico. Na realidade, a placa se deforma como uma esponja molhada secando ao sol. A distorção local perto daquele BGA de pitch fino no centro pode ser completamente diferente da distorção perto dos conectores de borda. A máquina, olhando apenas para os trilhos, não tem como saber disso. Ela aplica uma correção global a um problema local.

Isso também explica por que você vê problemas de alinhamento de stencil que mimetizam erros de colocação. Se sua impressora de estêncil estiver alinhando-se aos mesmos fiduciais do trilho, ela também estará adivinhando onde estão as almofadas. Você acaba depositando pasta de solda pela metade na, pela metade fora da almofada, e colocando o componente na metade na, metade fora da pasta. O resultado é um defeito garantido de ressoldagem.

A Correção Local

Só há uma maneira de vencer a física da distorção e a geometria da alavanca: Fiduciais Locais.

Um fiducial local é uma marca de referência colocada imediatamente ao lado do componente de pitch fino. Por “ao lado”, queremos dizer dentro do mesmo bloco funcional, frequentemente a 10-20mm do alvo.

Quando você força a máquina a usar fiduciais locais, você muda o jogo. A máquina move a câmera para a área do componente, encontra as marcas locais e redefine seu ponto de origem. Agora, o “braço de alavanca” de qualquer erro de rotação é praticamente zero. A máquina não se importa se o trilho do painel está com 5mm de atraso, ou se a placa deforma 1mm ao longo de seu comprimento. Ela só se importa com a relação entre essas marcas locais e as almofadas ao lado delas.

Isso cria uma “janela de verdade” ao redor do componente. Dentro dessa janela, a precisão relativa é extremamente alta porque a referência é imediata.

Os designers costumam resistir a isso. Alegam que não têm espaço. Querem economizar aquele quadrado de 1mm x 1mm para uma trilha ou uma via. Mas você precisa perguntar: qual é o custo desse espaço versus o custo de retrabalho? Se você estiver posicionando um QFN de pitch 0,4mm, um BGA de pitch 0,5mm, ou um conector de alta densidade, você não está negociando com um operador; você está lutando contra a matemática.

A regra geral é simples: se o pitch do componente for 0,5mm ou menos, ele requer fiduciais locais. Se o componente for um BGA com mais de 400 pinos, também requer fiduciais locais. São necessárias duas marcas para corrigir rotações—geralmente colocadas diagonalmente através do corpo do componente. Uma marca é inútil para rotações; ela só fornece translação (X/Y).

Atalhos Favoritos dos Designers (Que Não Funcionam)

Quando dizem que precisam de referências locais, designers inteligentes geralmente tentam enganar o sistema. A tentativa mais comum é a “Via como Fiducial”.

Eles apontarão para uma via perto do componente e perguntarão: “Você não pode apenas dizer à câmera para olhar para aquele orifício?”

Não.

Uma broca mecânica tende a deslizar. A tolerância na posição do orifício perfurado costuma ser de +/- 0,1mm ou pior, dependendo do conjunto de brocas da fábrica. Além disso, o revestimento ao redor do orifício pode ser irregular. Um sistema de visão artificial funciona por contraste — especificamente, o contraste entre o cobre/dourado soldável brilhante e a máscara de solda escura. Uma via é um alvo óptico confuso. Ela possui profundidade, sombras e bordas irregulares.

Utilizar uma via como ponto de alinhamento é como tentar calibrar um rifle de sniper usando um alvo pintado em um balão ao vento. Você está introduzindo mais erro no sistema do que o removendo.

Da mesma forma, não dependa das aberturas de máscara de solda nos próprios pads. A tolerância de registro da máscara de solda é frouxa (cerca de +/- 75 microns). O pad de cobre é a única coisa que importa eletricamente, portanto, a marca de alinhamento deve ser gravada na mesma camada de cobre que o pad. Essa é a única maneira de garantir que eles se movam juntos.

A Conclusão

Isto não é sobre como configurar esses pontos em seu software CAD — isso é um tutorial que você pode encontrar em outro lugar. Trata-se da sobrevivência de sua produção.

Fiduciais globais nos trilhos colocam a placa na máquina. Eles lidam com o alinhamento grosso necessário para transportar o painel e posicionar componentes grandes e tolerantes, como capacitores eletrolíticos ou grandes indutores.

Mas os fiduciais locais colocam a peça sobre os pads. Eles são a única defesa contra a deformação, torção e o estiramento que fazem parte da realidade do processo de fabricação. Omiti-los para economizar espaço é falso económico. Você economiza um milímetro de FR-4, mas paga por isso com horas de tempo de técnico, custos de inspeção por raios-X e os “confetes caros” de um painel descartado.

Projete para a realidade do material, não para a perfeição da grade.