ฟิสิกส์ของการวางตำแหน่ง: ทำไมแนวทางอ้างอิงรางถึงล้มเหลวในการออกแบบที่ละเอียดอ่อน

มันมักจะเกิดขึ้นในบ่ายวันอังคาร เมื่อสายการผลิตกำลังเร่งเพื่อรับคำสั่งเร่งด่วน เครื่องคัดเลือกและวาง—อาจเป็น Panasonic NPM หรือ Juki ความเร็วสูง—กำลังทำงาน เส้นลำเลียงกำลังเคลื่อนที่ และเมตริกบนแดชบอร์ดเป็นสีเขียว ความสามารถเชิงทฤษฎีดูสูง เครื่องกำลังค้นหาจุดอ้างอิงในระดับโลกบนรางแผง โดยไม่มีบันทึกข้อผิดพลาดใด ๆ อิงตามเรขาคณิตพิกัดในไฟล์ตำแหน่ง ทุกสิ่งสมบูรณ์แบบ

จากนั้น แผ่นบอร์ดก็ออกมาจากเตาหลอม reflow

คุณมองดูภายใต้กล้องจุลทรรศน์แล้วเห็นความหายนะ ทุก ๆ QFN ระยะ pitch 0.4mm เลื่อน 0.15mm ไปทางซ้าย แผ่นรองถูกเชื่อมต่อกัน ตัว passive แบบ 0201 กลายเป็น tombstoned หรือเอียงจากจุด landing ของพวกมัน คุณถือพาเนลที่เต็มไปด้วยลูกกระสุนแพง

ผู้จัดการโครงการต้องการรู้ว่าสาเหตุที่เครื่องล้มเหลวคืออะไร แต่เครื่องไม่ได้ล้มเหลว มันทำในสิ่งที่มันถูกบอกตามข้อมูลอ้างอิงที่ได้รับ การล้มเหลวเกิดขึ้นหลายสัปดาห์ก่อนแล้ว ภายในชุดซอฟต์แวร์ CAD เมื่อดีไซเนอร์ตัดสินใจว่าสามจุดอ้างอิงบนรางแผงนั้น “เพียงพอแล้ว” สำหรับการประกอบทั้งหมด

เรขาคณิตของคำโกหก

มีความเข้าใจผิดพื้นฐานในการออกแบบ PCB ที่มองว่าแผ่นเป็นกริดที่แข็งแรง ไม่เปลี่ยนแปลง ในสภาพแวดล้อม CAD ระยะทางระหว่างจุดกำเนิด (0,0) กับ pad ของชิ้นส่วนที่ (250, 150) เป็นค่าคงที่ทางคณิตศาสตร์ มันไม่เคยเปลี่ยนแปลง

บนพื้นโรงงาน กริดนั้นเป็นการหลอกลวง

เมื่อเครื่องจับแผง มันจะมองหา fiducials ทั่วไป—วงกลมทองแดงที่วางอยู่บนรางขยะหรือมุมแผ่น มันคำนวณตำแหน่งของแผ่นตามจุดเหล่านั้น หากแผ่นหมุนเล็กน้อย—ข้อผิดพลาด “theta”—เครื่องจะชดเชยด้วยคณิตศาสตร์ หมุนระบบพิกัดภายในให้ตรงกับแผ่น

ปัญหาคือ เรขาคณิตใช้ข้อผิดพลาดตามระยะทาง ข้อผิดพลาดการหมุนเพียง 0.05 องศาที่ราง อาจส่งผลให้การเคลื่อนที่เล็กน้อยสำหรับชิ้นส่วนที่อยู่ห่างออกไป 10 มิลลิเมตร แต่สำหรับชิ้นส่วนที่นั่งอยู่ตรงกลางของแผ่นขนาด 300 มิลลิเมตร ข้อผิดพลาดเล็กน้อยนั้นแปลเป็นการแกว่งด้านข้างขนาดมหาศาล เครื่องคิดว่ากำลังวางชิ้นส่วนที่ตำแหน่งที่สมบูรณ์แบบ แต่เนื่องจากจุดอ้างอิงอยู่ไกลมาก “แขนคาน” ของข้อผิดพลาดจึงเพิ่มการเคลื่อนที่ของมันขึ้นอย่างมาก

คุณกำลังขอให้เครื่องจักรเย็บเข็มจากฝั่งตรงข้ามของห้องโดยอิงจากแผนที่ที่ใครสักคนวาดบนกระดาษทิชชู่ มันไม่สำคัญว่าหนังสือโฆษณาเครื่องจักรอ้างความแม่นยำที่ 30 ไมครอน ความแม่นยำนี้เป็นสัมพัทธ์ต่อข้อมูลอ้างอิงที่เห็น ถ้าข้อมูลอ้างอิงอยู่บนราวและเป้าหมายอยู่ห่าง 150 มม. คุณกำลังต่อสู้กับตรีโกณมิติ และตรีโกณมิติชนะเสมอ

FR-4 เป็นฟองน้ำมีชีวิต

แรงบิดเชิงเรขาคณิตไม่ดีพออยู่แล้ว แต่ยังสมมุติว่าบอร์ดเองมีความเสถียร ซึ่งไม่ใช่ เรามักคิดว่า PCB เป็นแผ่นเหล็ก แต่จริงๆ แล้วเป็นคอมโพสิทของแก้วใวนและเรซินอีพ็อกซี่ พวกมันใกล้เคียงกับผ้าคงตัวมากกว่าของโลหะที่ผ่านการกลึง

FR-4 เป็นวัสดุที่มีชีวิตและเคลื่อนไหว มันหายใจตามอุณหภูมิ เมื่อคุณรันอะแกรมแบบสองหน้า แผ่นบอร์ดนั้นจะผ่านเตาอบรีเฟลโลว์ครั้งแรกในด้านหนึ่ง พบอุณหภูมิสูงถึง 240°C วัสดุจะขยายตัว เส้นใยแก้วจะเก็บแรงตึง เรซินจะให้การแข็งตัวต่อไป เมื่อมันเย็นตัวลง มันจะไม่กลับไปเป็นขนาดเดิมอย่างสมบูรณ์ มันจะหดตัว คดงอ และบิด

ถ้าคุณกำลังทำงานกับวงจรยืดหยุ่นหรือวัสดุ polyimide ความเป็นจริงนี้ยิ่งรุนแรงขึ้น แผงยืดหยุ่นอาจยืดออกแบบไม่เป็นเส้นตรง ซึ่งหมายความว่ามุมหนึ่งอาจขยายตัวขึ้น 0.1 มม. ขณะที่กึ่งกลางขยายตัวขึ้น 0.3 มม.

จากมุมมองของเครื่องจักร นี่เป็นฝันร้าย มันอ่านฟิดจูเชียลรางวอล หวัดระยะห่างระหว่างกัน และสังเกตว่าบอร์ดหดตัวลง 0.5 มม. ตามความยาว เครื่องจักรระดับสูงจาก ASM หรือ Mycronic มีอัลกอริทึม "การชดเชยการหดตัว" ที่พยายามคำนวณค่าผิดพลาดนี้โดยการปรับพิกัดตำแหน่งการวาง

แต่การปรับสเกลนี้สันนิษฐานว่าความเบี่ยงเบนเป็นเชิงเส้น — ว่าบอร์ดยืดออกอย่างสมดุลเหมือนกับยางรัดในความเป็นจริง บอร์ดบิดเบี้ยวเหมือนฟองน้ำเปียกแห้งในแสงอาทิตย์ ความเบี่ยงเบนในท้องถิ่นใกล้ BGA ขนาดละเอียดอาจแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากความเบี่ยงเบนที่อยู่ใกล้พอร์ตเชื่อมต่อขอบ เครื่องจักรที่มองเพียงรางวอลจะไม่สามารถรู้ได้ มันใช้การแก้ไขทั่วโลกสำหรับปัญหาในท้องถิ่น

นั่นคือเหตุผลที่คุณเห็นปัญหาการจัดแนวแสตมป์ที่เลียนแบบข้อผิดพลาดในการวาง ถ้าคุณใช้เครื่องพิมพ์แสตมป์จัดแนวกับฟิดจูเชียลรางเดียวกัน ก็จะเป็นการเดาตำแหน่งของแพดเช่นกัน คุณจะได้ซิลิโคนพาสต้าแปะครึ่งบนครึ่งล่างของแพด และประกอบชิ้นส่วนครึ่งบนครึ่งล่างของซิลิโคนผลลัพธ์ก็คือข้อบกพร่องของรีเฟลโลว์ที่รับประกันได้

การแก้ไขในท้องถิ่น

มีเพียงทางเดียวเท่านั้นที่จะเอาชนะความเป็นจริงของการบิดเบี้ยวและเรขาคณิตของแรงบิด: ฟิดจูเชียลท้องถิ่น

ฟิดจูเชียลท้องถิ่นคือเครื่องหมายอ้างอิงที่วางไว้ใกล้กับชิ้นส่วนขนาดละเอียด โดยคำว่า "ใกล้" หมายความว่าอยู่ภายในกลุ่มฟังก์ชันเดียวกัน มักอยู่ภายใน 10-20 มม. จากเป้าหมาย

เมื่อคุณบังคับให้เครื่องใช้ฟิดจูเชียลท้องถิ่น คุณจะเปลี่ยนเกม เครื่องย้ายกล้องไปยังพื้นที่ของชิ้นส่วน ค้นหาสัญลักษณ์ท้องถิ่น และรีเซ็ตจุดกำเนิดของมัน ตอนนี้ แรงบิดจากการหมุนใด ๆ เกือบเท่าศูนย์แล้ว เครื่องจักรไม่สนใจว่ารางบอร์ดจะคลาดเคลื่อน 5 มม. หรือบอร์ดบิดเบี้ยว 1 มม. ตามความยาว มันสนใจแค่ความสัมพันธ์ระหว่างสัญลักษณ์ท้องถิ่นเหล่านั้นกับแพดข้างเคียงเท่านั้น

สิ่งนี้สร้าง "หน้าต่างความจริง" รอบชิ้นส่วน ภายในหน้าต่างนั้น ความแม่นยำสัมพัทธ์สูงมาก เพราะอ้างอิงเป็นสิ่งใกล้ตัวที่สุด

นักออกแบบมักจะโต้แย้งเรื่องนี้ พวกเขาอ้างว่าไม่มีที่ว่าง พวกเขาต้องการเก็บพื้นที่ 1 มม. x 1 มม. สำหรับเส้นทางหรือผ่าน จุดไหนที่คุ้มค่าเหนือกว่า? คุณต้องถาม: ค่าของพื้นที่นั้นเทียบกับค่าของการทำงานซ้ำซ้อนอย่างไร? หากคุณกำลังวางทับบิต QFN ที่ช่วง pitch 0.4 มม. หรือ BGA ที่ช่วง pitch 0.5 มม. หรือคอนเนคเตอร์ความหนาแน่นสูง คุณไม่ได้อยู่ในการต่อรองกับผู้ปฏิบัติงาน คุณกำลังต่อสู้กับคณิตศาสตร์

กฎง่ายๆ คือ: หาก pitch ของชิ้นส่วนคือ 0.5 มม. หรือน้อยกว่า จำเป็นต้องใช้ฟิดจูเชียลท้องถิ่น หากชิ้นส่วนเป็น BGA ที่มีพินมากกว่า 400 พิน จำเป็นต้องใช้ฟิดจูเชียลท้องถิ่น สองเครื่องหมายที่วางในแนวทแยงมุมของตัวบอดี้ชิ้นส่วนมักใช้เพื่อแก้ไขการหมุน — หนึ่งเครื่องหมายก็ยังไม่สามารถช่วยเรื่องการหมุนได้; มันใช่แค่การแปลเชิงพิกัด (X/Y)

ทางลัดโปรดของนักออกแบบ (ที่ไม่ได้ผล)

เมื่อบอกว่าต้องการอ้างอิงในพื้นที่ท้องถิ่น นักออกแบบที่ฉลาดมักพยายามโกงระบบ ความพยายามที่พบได้บ่อยที่สุดคือ “Via เป็นเฟีย์คูชั่น”

พวกเขาจะชี้ไปที่ via ใกล้คอมโพเนนต์และถามว่า “คุณไม่สามารถบอกกล้องให้มองไปที่รูนั้นได้หรือ?”

ไม่ได้

ปลายสว่านกล เครื่องมือเจาะมีความเบี่ยงเบน ความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งรูเจาะมักเป็น +/- 0.1mm หรือแย่กว่านั้น ขึ้นอยู่กับชุดดอกสว่านของโรงงานนอกจากนี้ ทองเคลือบบนรูอาจไม่สม่ำเสมอ ระบบวิสัยทัศน์ของเครื่องจักรทำงานบนความแตกต่าง — โดยเฉพาะช่วงความแตกต่างระหว่างทองแดง/ทอง/บัดกรีที่วาววับและวัสดุรัดบัดกรีสีเข้ม เปรียบเสมือนเป้าหมายแสงสะท้อนที่ไม่เรียบร้อยของ via ซึ่งมีความลึก เงา และขอบไม่เรียบ

การใช้ via เป็นจุดการจัดแนวเหมือนพยายามปรับเทียบปืนไรเฟิลสไนเปอร์โดยใช้เป้าบนลูกโป่งที่ลอยไปในลม คุณกำลังเพิ่มข้อผิดพลาดเข้าไปในระบบมากกว่าที่จะลดลง

เช่นเดียวกัน อย่าเชื่อถือช่องเปิดของแผ่นบัดกรีในตัวมันเอง ความคลาดเคลื่อนในการจดจำที่ช่องรัดบัดกรีเป็นแบบหลวม (ประมาณ +/- 75 ไมครอน) แผ่นทองแดงเป็นสิ่งเดียวที่สำคัญในทางไฟฟ้า ดังนั้นเครื่องหมายการจัดแนวต้องถูกแกะสลักบนชั้นทองแดงเดียวกับแผ่น นั่นคือวิธีเดียวที่จะรับประกันว่าสองอย่างเคลื่อนที่ไปพร้อมกัน

ผลลัพธ์สุดท้าย

นี่ไม่ใช่เกี่ยวกับวิธีตั้งค่าพวกเขาในซอฟต์แวร์ CAD ของคุณ — นั่นเป็นบทช่วยสอนที่คุณสามารถหาได้ที่อื่น นี่คือเรื่องของความอยู่รอดของการผลิตของคุณ

เฟีย์คูชั่นทั่วโลกบนรางนำพาให้บอร์ดเข้าสู่เครื่อง รับมือกับการจัดแนวหยาบที่จำเป็นต่อการขนส่งแผงและวางชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่เข้าใจง่าย เช่น ตัวเก็บประจุไฟฟ้าหรือลินดักเตอร์ขนาดใหญ่

แต่เฟีย์คูชั่นในพื้นที่ท้องถิ่นเป็นตัวช่วยเดียวที่จะนำชิ้นส่วนไปยังแผ่นเท่านั้น การขาดเฟีย์คูชั่นเหล่านี้คือความไม่สมดุลทางเทคนิค การละเว้นเพื่อประหยัดพื้นที่เป็นการปฏิเสธผลตอบแทน ท่านประหยัดมิลลิเมตรของ FR-4 แต่ต้องจ่ายด้วยเวลาช่างเทคนิค ค่าตรวจสอบด้วย X-ray และ “เศษกระดาษราคาแพง” ของแผงที่ถูกทิ้ง

ออกแบบตามความเป็นจริงของวัสดุ ไม่ใช่ความสมบูรณ์แบบของกริด