پاسخ مستقیم
ریسک مواد PCB را با مقایسه الزامات الکتریکی، حرارتی و مکانیکی طرح خود با ویژگی‌های صفحه داده واقعی سیستم لمینت ارزیابی کنید، سپس آن ترکیب را از طریق بررسی DFM سازنده قبل از ساخت تأیید کنید. خطر در خود ماده نیست، بلکه در عدم تطابق بین آنچه که چیدمان شما می خواهد و آنچه که لمینت می تواند به صورت فیزیکی ارائه دهد است. تعداد لایه‌های بالا، امپدانس کنترل‌شده و انباشته‌های مواد مختلط این عدم تطابق را تقویت میکنند.
چرا PCB گرایش های چیدمان ریسک مواد را ایجاد می کند
روندهای طراحی مدرن PCB سیستم های لمینیت را فراتر از آنچه استاندارد FR-4 در ابتدا برای رسیدگی در نظر گرفته شده بود، فراتر می برد. این خطر زمانی ظاهر می‌شود که چیدمان ویژگی‌هایی را می‌طلبد که ماده پایه نتواند به طور مداوم در سراسر پانل، در سراسر دسته و در سراسر محدوده دمای عملیاتی ارائه دهد.
درایور اصلی تعداد لایه ها است. یک برد 8 لایه به چرخه های متعدد پرس، لایه های دی الکتریک نازک تر و ثبت محکم تر از تخته 4 لایه نیاز دارد. هر چرخه لمینیت اضافی، ماده را در معرض حرارت و فشار طولانی مدت قرار می دهد، که می تواند سیستم های رزین را که برای پردازش مکرر طراحی نشده اند، تخریب کند. یک FR-4 استاندارد با دمای انتقال شیشه ای (Tg) 130-140 درجه سانتی گراد ممکن است در یک چرخه پرس دوام بیاورد، اما می تواند تغییرات جریان رزین یا ناسازگاری ضخامت دی الکتریک را پس از دو یا سه چرخه نشان دهد.
دومین درایور کنترل امپدانس است. طراحی های با سرعت بالا نیاز به تحمل ثابت دی الکتریک (Dk) و ضریب اتلاف (Df) دارند. FR-4 استاندارد دارای Dk است که بسته به محتوای رزین، سبک شیشه و فرکانس آن از 4.2 تا 4.8 متغیر است. اگر چیدمان شما مقدار امپدانس خاصی را در نظر می گیرد، ماده باید Dk خود را در یک پنجره باریک در سراسر پانل نگه دارد. اینجاست که انتخاب مواد به جای یک انتخاب پیش‌فرض، به ارزیابی ریسک تبدیل می‌شود.
سومین درایور مدیریت حرارتی است. قطعات با اتلاف توان بالا، بسته های BGA متراکم، و بردهایی که در دمای محیطی بالا کار می کنند، به موادی با Tg بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین (CTE) نیاز دارند. اگر CTE ورقه ورقه با صفحات مسی و بسته های اجزا مطابقت نداشته باشد، برد در حین جریان مجدد تاب می یابد یا از طریق ترک خوردن بشکه در طول چرخه حرارتی تجربه می کند.
برای دید گسترده‌تری از نحوه تأثیر روندهای طراحی بر ریسک تولید، به چگونه ریسک تولید PCB را از PCB طراحی و PCB ارزیابی کنیم مراجعه کنید.
ارزیابی استک آپ در برابر نیازهای الکتریکی
استک آپ جایی است که ریسک مادی برای اولین بار قابل مشاهده است. قبل از ارسال Gerbers، بررسی کنید که مواد دی الکتریک، وزن مس و آرایش لایه ها واقعاً از الزامات الکتریکی طرح پشتیبانی می کنند.
ضخامت دی الکتریک و تحمل امپدانس
خطوط امپدانس کنترل شده به ضخامت دی الکتریک خاصی بین لایه سیگنال و صفحه مرجع نیاز دارند. فرمول امپدانس برای میکرو نوار یا نوار خط به ثابت دی الکتریک، عرض ردیابی، ضخامت مس و ارتفاع دی الکتریک بستگی دارد. اگر تلورانس تامین کننده ورقه ورقه بر روی ضخامت دی الکتریک 10% باشد، تحمل امپدانس گسترده تر از آنچه طراحی شما مشخص می کند خواهد بود.
به عنوان مثال، یک میکرو نوار تک سر 50 اهم روی یک دی الکتریک 0.2 میلی متری با Dk 4.2، عرض ردیابی متفاوتی نسبت به امپدانس مشابه در دی الکتریک 0.18 میلی متری خواهد داشت. اگر چیدمان شما عرض ردیابی را ثابت کند و سازنده برد را با دی الکتریک در انتهای پایین محدوده تحمل بسازد، امپدانس تغییر خواهد کرد. این یک ریسک مادی است زیرا در مدل CAD قابل مشاهده نیست. فقط در هنگام ساخت یا آزمایش امپدانس ظاهر می شود.
قبل از اینکه به استک آپ بپردازید، تحمل ضخامت تامین کننده لمینت و محدوده امپدانس حاصل را از سازنده بخواهید. اگر گسترش امپدانس محاسبه شده از حاشیه طراحی شما فراتر رود، به ماده دیگری یا دی الکتریک ضخیم تری نیاز دارید.
وزن مس و اثرات اچینگ
وزن مس از دو طریق بر امپدانس تأثیر می گذارد. اولاً، مس ضخیم تر، سطح مقطع اثر را افزایش می دهد، که مقاومت را کاهش می دهد و امپدانس را تغییر می دهد. دوم اینکه، مس ضخیم‌تر به زمان‌های اچ طولانی‌تری نیاز دارد که ضریب اچ را افزایش می‌دهد و می‌تواند سطح مقطع ذوزنقه‌ای ایجاد کند. تفاوت بین عرض بالا و عرض پایین یک ردیابی می تواند 0.5 تا 1 میل در 1 اونس مس و بیشتر در مس 2 اونس باشد.
برای ردیابی های ریز، این ضریب اچ می تواند بخش قابل توجهی از تحمل امپدانس را مصرف کند. یک ردیاب 4 میل با فاکتور اچ 1 میل دارای 25 درصد تغییر عرض از بالا به پایین است. اگر محاسبه امپدانس شما یک مقطع مستطیلی را فرض کند، امپدانس واقعی متفاوت خواهد بود.
از یک stackup استفاده کنید که وزن مس و ضریب اچ را مشخص می کند. اگر طرح دارای تحمل امپدانس تنگ است، به جای شروع با مس 1 اونس، از مس 0.5 اونس با روکش برای رسیدن به وزن نهایی استفاده کنید.
بافت شیشه ای و تنوع Dk
سبک بافت شیشه ای بر Dk و قوام دی الکتریک تأثیر می گذارد. استاندارد E-glass دارای Dk حدود 6.2 است، در حالی که رزین Dk حدود 3.5 است. Dk موثر لمینت به نسبت رزین به شیشه بستگی دارد. بافت های شیشه ای پهن یا شیشه ای تخت، نواحی غنی از رزین را کاهش می دهند و Dk یکنواخت تری را در سراسر پانل ایجاد می کنند.
برای طرحهای با سرعت بالا که با سرعت بالای 10 گیگابیت در ثانیه کار میکنند، بافت شیشه می‌تواند باعث ایجاد کجی بین جفت‌های دیفرانسیل شود، اگر یک اثر روی یک بسته شیشه‌ای و دیگری روی یک ناحیه غنی از رزین باشد. این یک خطر مادی است که به یک لمینت شیشه ای یا طرحی نیاز دارد که از مسیریابی روی الگوهای بافت شناخته شده جلوگیری کند.
الزامات مواد حرارتی و مکانیکی پروفیل های حرارتی
محیط حرارتی برد در طول مونتاژ و کارکرد، حداقل Tg و حداکثر CTE را تعیین می کند که ماده باید مطابقت داشته باشد.
سازگاری با دمای انتقال شیشه ای و جریان مجدد
Tg ورقه ورقه دمایی است که در آن رزین از حالت شیشه ای به حالت لاستیکی تبدیل می شود. در بالای Tg، ماده به سرعت منبسط می شود و سفتی مکانیکی را از دست می دهد. اگر Tg کمتر از حداکثر دمای جریان مجدد باشد، برد در طول مونتاژ نرم می شود که می تواند باعث تاب خوردگی، بلند شدن لنت و از طریق تغییر شکل شود.
یک FR-4 استاندارد با Tg 140 درجه سانتیگراد برای جریان مجدد بدون سرب، که معمولاً در 245-260 درجه سانتیگراد به حداکثر می رسد، حاشیه ای است. مواد Tg متوسط (150-160 درجه سانتیگراد) یا مواد Tg بالا (170-180 درجه سانتیگراد) حاشیه بیشتری را فراهم می کند. برای تخته‌هایی با بسته‌های بزرگ BGA یا صفحات مسی ضخیم، مواد با Tg بالا انتخاب مطمئن‌تری است.
CTE به همان اندازه مهم است. CTE محور Z ورقه ورقه تعیین می کند که تخته در طول چرخه حرارتی چقدر ضخامت منبسط می کند. یک CTE بالا می تواند باعث تنش بشکه سوراخ شده (PTH) شود که منجر به ترک خوردن گوشه پس از چرخه های حرارتی مکرر می شود. IPC-4101 مشخصات مواد لمینت را تعریف می کند و IPC-6012 صلاحیت تخته تمام شده را پوشش می دهد. از این استانداردها به عنوان چارچوبی برای انتخاب موادی که با الزامات قابلیت اطمینان شما مطابقت دارند، استفاده کنید.
کنترل تابش و ضخامت تخته
Warpage تابعی از عدم تطابق CTE بین لمینت، صفحات مسی و ماسک لحیم کاری است. تخته ای با توزیع مس نامتقارن بیشتر از یک استک آپ متوازن تاب می خورد. مدول خمشی ماده و Tg تعیین می کند که تخته تا چه اندازه در برابر تاب خوردن در دماهای بالا مقاومت می کند.
برای تخته هایی با ضخامت بیشتر از 2.0 میلی متر، مواد باید دارای CTE کم و مدول خمشی بالا برای حفظ صافی در طول جریان مجدد باشند. برای تخته‌هایی با سطوح مسی سنگین (2 اونس یا بیشتر)، CTE مس حدود 17 ppm/°C بر رفتار انبساط غالب است، و ورقه‌ای باید برای سازگاری با آن انتخاب شود.
اگر طرح شما نیاز به صافی محکم دارد، حد تاب خوردگی را در یادداشت های ساخت مشخص کنید و از سازنده بخواهید که آن را پس از شبیه سازی جریان مجدد اندازه گیری کند.
سازگاری سطح و مونتاژ
پرداخت سطح یک انتخاب ماده است که مستقیماً بر عملکرد مونتاژ و قابلیت اطمینان طولانی مدت تأثیر می گذارد. پایان باید با بسته های جزء، فرآیند لحیم کاری و محیط عملیاتی سازگار باشد.
ENIG برای برنامه های کاربردی با گام خوب و دمای بالا
طلای غوطه‌وری نیکل بدون الکترود (ENIG) یک انتخاب رایج برای کاربردهای ریز BGA و در دمای بالا است، زیرا سطح صاف و لحیم‌کاری خوبی را فراهم می‌کند. با این حال، ENIG خطر بالشتک سیاه را دارد، یک ماده بین فلزی شکننده که وقتی فرآیند غوطه وری طلا به لایه نیکل حمله می کند، تشکیل می شود. این خطر با ذخایر ضخیم طلا یا کنترل ضعیف فرآیند افزایش می یابد.
برای بسته‌های با گام‌های ریز با گام کمتر از 0.5 میلی‌متر، صافی پوشش سطح بسیار مهم است. ENIG سطح صافی را فراهم می کند، اما ضخامت نیکل و ضخامت طلا باید مطابق با مشخصات باشد. اگر طلا خیلی ضخیم باشد، می تواند محل اتصال لحیم کاری را شکننده کند. اگر نیکل خیلی نازک باشد، می توان آن را در حین لحیم کاری مصرف کرد.
OSP و HASL
نگهدارنده لحیم کاری ارگانیک (OSP) یک روکش کم هزینه است که برای بردهایی با ماندگاری کوتاه و فرآیندهای مونتاژ استاندارد به خوبی کار می کند. با این حال، OSP سطح صافی را برای اجزای با گام ریز فراهم نمی‌کند و با چندین پاس جریان مجدد تخریب می‌شود. اگر برد به دو یا چند چرخه جریان مجدد نیاز داشته باشد، OSP ممکن است پس از عبور دوم دوام نیاورد. محدودیت‌های
تراز کردن لحیم کاری با هوای داغ (HASL) قابلیت لحیم کاری عالی را فراهم می کند، اما سطح ناهمواری را برای بسته های BGA یا QFN ریز نامناسب می گذارد. HASL بدون سرب به دمای بالاتری نیاز دارد که می‌تواند به لمینت فشار وارد کند. برای طرح هایی با اجزای ریز، ENIG یا نقره ای غوطه ور، انتخاب مطمئن تری است.
برای مقایسه دقیق نحوه تأثیر روندهای چیدمان بر ریسک مونتاژ، به چگونه خطر مونتاژ SMT را از طراحی PCB و PCB Layout Trends ارزیابی کنیم مراجعه کنید.
استفاده از بازخورد DFM برای دریافت زودهنگام خطر مواد
مؤثرترین راه برای ارزیابی ریسک مواد، مشارکت سازنده قبل از ساخت است. بررسی DFM می‌تواند مسائل مربوط به مواد را که در مدل CAD قابل مشاهده نیستند، شناسایی کند.
چه چیزی برای بررسی DFM ارسال شود
موارد زیر را برای سازنده ارسال کنید:
- انباشته هدف با ترتیب لایه، مواد دی الکتریک و ضخامت
- مارک و درجه لمینت، در صورت مشخص شدن
- وزن مس برای هر لایه
- پرداخت سطح
- الزامات امپدانس با تلرانس
- تحمل ضخامت تخته
- محدوده دمای عملیاتی مورد انتظار
- نمایه جریان مجدد مونتاژ
سازنده انباشته را با توجه به در دسترس بودن مواد، الزامات امپدانس در برابر تلورانس های دی الکتریک و ضخامت تخته را در برابر گزینه های ضخامت لمینت بررسی می کند.
یافته های متداول DFM
یک بررسی معمولی DFM خطرات مهم زیر را علامت‌گذاری می‌کند:
- ضخامت دی الکتریک که در خط تولید استاندارد تامین کننده لمینت موجود نیست
- یک نیاز امپدانس که با وزن دی الکتریک و مس مشخص شده قابل برآورده نیست
- ضخامت تخته ای که به تعداد غیرعادی لایه های پیش آغشته نیاز دارد
- پرداخت سطحی که با فرآیند مونتاژ ناسازگار است
- Tg که برای نمایه جریان مجدد خیلی کم است
> Practical note: If the DFM review returns a material substitution, do not accept it without checking the Dk, Df, Tg, and CTE. A "drop-in" replacement is rarely a true drop-in for high-speed or high-reliability designs.
تست کوپن امپدانس
برای طراحی‌های پرسرعت، از سازنده بخواهید کوپن‌های امپدانس را روی پانل قرار دهد. این کوپن ها ساختارهای آزمایشی هستند که به سازنده اجازه می دهد امپدانس واقعی برد ساخته شده را اندازه گیری کند. نتایج تست کوپن تایید می کند که آیا مواد و فرآیند امپدانس هدف را ایجاد کرده اند یا خیر.
اگر نتایج کوپن خارج از حد تحمل باشد، ماده یا فرآیند نیاز به تنظیم دارد. این تنها راه برای تأیید این است که ریسک مادی به درستی مدیریت شده است.
RFQ مستندات و ریسک زنجیره تامین
RFQ جایی است که شما انتخاب های مواد و گزینه های جایگزین را مستند می کنید. یک RFQ مستند، خطر جایگزینی سازنده موادی را که مطابق با نیازهای شما نیست، کاهش می دهد.
مواردی که باید در RFQ گنجانده شود
موارد زیر را در RFQ لحاظ کنید:
- مجموعه هدف با شماره قطعات مواد
- مارک و درجه لمینت (به عنوان مثال، Isola 370HR، Rogers RO4003C، یا معادل)
- وزن مس برای هر لایه
- پرداخت سطح
- الزامات امپدانس با تلرانس
- ضخامت و تحمل تخته
- محدوده دمای عملیاتی مورد انتظار
- نمایه جریان مجدد مونتاژ
- هر گونه محدودیت مکانیکی مانند محدودیت‌های انحرافی یا نسبت ابعاد سوراخ
اگر به گزینه‌های جایگزین علاقه دارید، جایگزین‌های قابل قبول و حداقل ویژگی‌هایی را که باید رعایت کنند فهرست کنید. این به سازنده انعطاف پذیری در تامین منابع می دهد و در عین حال از الزامات طراحی شما محافظت می کند.
ریسک زنجیره تامین
در دسترس بودن مواد یک خطر واقعی است. ورقه ورقه ای که در حال تخصیص است یا زمان تولید طولانی دارد می تواند کل پروژه را به تاخیر بیندازد. اگر در طراحی از مواد تخصصی استفاده شده است، قبل از انجام آن، زمان ارائه را بررسی کنید. اگر زمان تحویل بیش از حد طولانی است، یک ماده استاندارد با خواص مشابه در نظر بگیرید.
برای بحث در مورد اینکه چگونه گرایش‌های ابزار طراحی بر ریسک تولید تأثیر می‌گذارد، به چگونه ریسک تولید PCB را از طریق اتوماسیون طراحی الکترونیکی و گرایش‌های خودرو ارزیابی کنیم و چگونگی ارزیابی __OMINI_TER از Rikfac را ببینید. PCB Design and EasyEDA Trends. برای تأثیر ابزارهای طراحی منبع باز، به چگونه ریسک تولید PCB را از PCB طراحی و گرایش های KiCad ارزیابی کنیم مراجعه کنید.
مثال عملی: ارزیابی یک انباشته مواد مخلوط
یک تخته 10 لایه با شرایط زیر را در نظر بگیرید:
- امپدانس تک سر 50 اهم در لایه های 1، 3، 8 و 10
- امپدانس دیفرانسیل 100 اهم در لایه 6
- 1.6 میلی متر ضخامت کل تخته
- گام 0.5 میلی متری BGA در لایه بالایی
- محدوده دمای عملیاتی -40 درجه سانتیگراد تا +105 درجه سانتیگراد
- مجموعه بدون سرب با حداکثر دمای جریان مجدد 250 درجه سانتیگراد
پشته‌بندی پیش‌فرض در ابزار CAD ممکن است از FR-4 استاندارد با Tg 140 درجه سانتیگراد و Dk 4.5 استفاده کند. ارزیابی این در برابر الزامات:
1. The Tg of 140°C is marginal for a 250°C peak reflow temperature. The board may warp during assembly. 2. The Dk tolerance of standard FR-4 may not hold the 50-ohm impedance within ±5% across the panel. 3. The 0.5 mm pitch BGA requires a flat surface finish, which rules out HASL. 4. The operating temperature range of -40°C to +105°C requires a CTE that will not cause via failures after thermal cycling.
انتخاب ایمن‌تر یک Tg متوسط FR-4 (Tg 160-170 درجه سانتیگراد) با تحمل Dk محکم‌تر است، یا اگر برد چرخه‌های حرارتی مکرر را ببیند، یک ماده با Tg بالا است. روکش سطح باید ENIG یا نقره غوطه ور باشد. سازنده باید امپدانس را با کوپن بررسی کند.
این ارزیابی حدود 30 دقیقه طول می کشد و می تواند از خراب شدن برد در هنگام مونتاژ یا در زمین جلوگیری کند.
اشتباهات رایج در انتخاب مواد
رایج ترین اشتباه استفاده از متریال پیش فرض در ابزار CAD بدون بررسی اینکه آیا الزامات طراحی را برآورده می کند یا خیر است. دوم نادیده گرفتن اثر وزن مس بر امپدانس است. سومین مورد، انتخاب یک سطح بر اساس هزینه بدون بررسی سازگاری با فرآیند مونتاژ است.
اشتباه دیگر این است که فرض کنیم Tg بالاتر همیشه بهتر است. یک ماده با Tg بالا هزینه بیشتری دارد و ممکن است Dk بالاتری داشته باشد که محاسبه امپدانس را تغییر می دهد. مواد باید مطابق با الزامات باشد، نه اینکه بی جهت از آنها تجاوز کند.
در نهایت، بازخورد DFM سازنده را نادیده نگیرید. اگر سازنده یک ریسک مادی را مشخص می کند، به این دلیل است که قبلاً حالت خرابی را دیده است. تیم DFM Omini می‌تواند انتخاب‌های انباشته و مواد شما را قبل از ساخت بررسی کند، و این بررسی مقرون‌به‌صرفه‌ترین راه برای کاهش ریسک مواد است.