Thách thức thiết kế PCB trong SMT: Các vấn đề thường gặp, Giải pháp đã được chứng minh và Yêu cầu quan trọng

Công nghệ gắn bề mặt (SMT) đã trở thành xương sống của sản xuất điện tử hiện đại, cho phép các thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ điện thoại thông minh đến robot công nghiệp.Tuy nhiên, sự chuyển đổi từ các thành phần xuyên lỗ sang các thành phần gắn trên bề mặt mang lại những thách thức thiết kế độc đáo, ngay cả những lỗi nhỏ cũng có thể dẫn đến sự cố lắp ráp, suy giảm tín hiệu hoặc sửa đổi tốn kém.

Hướng dẫn này khám phá các vấn đề thiết kế PCB phổ biến nhất trong sản xuất SMT, cung cấp các giải pháp có thể thực hiện được hỗ trợ bởi các tiêu chuẩn công nghiệp và phác thảo các yêu cầu thiết yếu cho sản xuất liền mạch.Cho dù bạn đang thiết kế cho thiết bị điện tử tiêu dùng, hệ thống ô tô, hoặc thiết bị y tế, làm chủ các nguyên tắc này sẽ đảm bảo PCB của bạn đáp ứng mục tiêu hiệu suất trong khi giảm thiểu đau đầu sản xuất.

Các vấn đề thiết kế SMT chính và tác động của chúng
Độ chính xác của SMT đòi hỏi thiết kế tỉ mỉ. Dưới đây là các vấn đề phổ biến nhất và hậu quả thực tế của chúng:
1. Khả năng giải phóng thành phần không đầy đủ
Vấn đề: Các thành phần đặt quá gần nhau tạo ra nhiều rủi ro:
Đường nối hàn giữa các pad liền kề, gây ra mạch ngắn.
Sự can thiệp trong quá trình lắp ráp tự động (máy chọn và đặt có thể va chạm với các bộ phận gần đó).
Khó khăn trong kiểm tra và sửa chữa sau khi lắp ráp (hệ thống AOI gặp khó khăn trong việc hình dung các khoảng trống chặt chẽ).
Điểm dữ liệu: Một nghiên cứu của IPC cho thấy 28% các khiếm khuyết lắp ráp SMT xuất phát từ không đủ khoảng cách thành phần, khiến các nhà sản xuất phải trả trung bình 0,75 đô la cho mỗi đơn vị bị lỗi trong quá trình sửa chữa.

2. Kích thước Pad không chính xác
Vấn đề: Pad quá nhỏ, quá lớn hoặc không phù hợp với các dây dẫn thành phần dẫn đến:
Tombstoning: Các thành phần nhỏ (ví dụ, kháng cự 0402) nhấc ra một pad do co thắt hàn không đồng đều.
Các khớp hàn không đủ: Các kết nối yếu dễ bị hỏng do căng thẳng nhiệt hoặc cơ học.
Lượng hàn dư thừa: Các quả cầu hàn hoặc cầu làm cho điện ngắn.
Nguyên nhân gốc: Dựa vào thư viện pad lỗi thời hoặc chung thay vì tiêu chuẩn IPC-7351, xác định kích thước pad tối ưu cho mỗi loại thành phần.

3Thiết kế stencil kém
Vấn đề: Các stencil (được sử dụng để bôi mạ hàn) với kích thước hoặc hình dạng khẩu độ không chính xác dẫn đến:
Khối lượng hàn không phù hợp (quá ít gây khô khớp; quá nhiều gây cầu nối).
Vấn đề giải phóng keo, đặc biệt là đối với các thành phần sắc nét như BGA 0.4mm.
Tác động: Các khiếm khuyết của dán hàn chiếm 35% tất cả các thất bại lắp ráp SMT, theo một cuộc khảo sát năm 2024 của các nhà sản xuất điện tử.

4Các tài khoản tín dụng bị mất hoặc sai chỗ
Vấn đề: Fiducials small alignment markers rất quan trọng đối với các hệ thống tự động.
Sự sai đường của các thành phần, đặc biệt là đối với các thiết bị pitch mỏng (ví dụ: QFP với pitch 0,5 mm).
Tăng tỷ lệ phế liệu, vì các thành phần không phù hợp thường không thể tái chế.
Ví dụ: Một nhà sản xuất thiết bị viễn thông đã báo cáo tỷ lệ phế liệu 12% sau khi bỏ qua các tài khoản ủy thác cấp bảng điều khiển, chi phí 42.000 đô la trong các vật liệu lãng phí trong sáu tháng.

5. Quản lý nhiệt không đầy đủ
Vấn đề: Các thành phần SMT (đặc biệt là IC điện, đèn LED và bộ điều chỉnh điện áp) tạo ra nhiệt đáng kể.
Phá lỗi thành phần sớm (trên nhiệt độ hoạt động danh hiệu).
Mệt mỏi khớp hàn, vì chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại làm suy yếu các kết nối.
Thống kê quan trọng: Một sự gia tăng 10 ° C trong nhiệt độ hoạt động có thể làm giảm tuổi thọ của thành phần bằng 50%, theo luật Arrhenius.

6. Các lỗi về tính toàn vẹn tín hiệu
Vấn đề: Các tín hiệu tốc độ cao (≥ 100MHz) bị:
Giao tiếp qua lại giữa các dấu vết gần nhau.
Sự không phù hợp đối kháng do chiều rộng dấu không nhất quán hoặc chuyển tiếp lớp.
Mất tín hiệu do đường dẫn quá dài hoặc kết nối đất kém.
Tác động: Trong các thiết bị 5G và IoT, các vấn đề này có thể làm suy giảm tốc độ dữ liệu 30% hoặc hơn, khiến các sản phẩm không phù hợp với các tiêu chuẩn của ngành.

Giải pháp cho các thách thức thiết kế SMT
Giải quyết các vấn đề này đòi hỏi sự kết hợp của sự tuân thủ tiêu chuẩn, kỷ luật thiết kế và hợp tác với các đối tác sản xuất:
1. Tối ưu hóa Khoảng cách thành phần
a. Theo hướng dẫn IPC-2221:
Khoảng cách tối thiểu giữa các thành phần thụ động (0402 ̇ 1206): 0,2 mm (8 mil).
Khoảng cách tối thiểu giữa IC và thụ động: 0,3mm (12mil).
Đối với BGA độ cao mỏng (≤ 0,8 mm độ cao): Tăng khoảng cách đến 0,4 mm (16 mil) để ngăn chặn cầu hàn.
b. Xét cho dung sai máy: Thêm một bộ đệm 0,1mm vào các tính toán khoảng cách, vì máy chọn và đặt thường có độ chính xác vị trí ± 0,05mm.
c. Sử dụng kiểm tra quy tắc thiết kế: Cài đặt phần mềm thiết kế PCB của bạn (Altium, KiCad) để báo hiệu vi phạm khoảng cách trong thời gian thực, ngăn chặn các vấn đề trước khi chế tạo.

2. Tiêu chuẩn Pads với IPC-7351
IPC-7351 xác định ba lớp thiết kế miếng đệm, với lớp 2 (chất lượng công nghiệp) được sử dụng rộng rãi nhất.

a. Tránh đệm tùy chỉnh: đệm chung làm tăng tỷ lệ khiếm khuyết 2 ¢ 3 lần so với thiết kế phù hợp với IPC.
b. Bàn đệm nét (Taper Fine-Pitch Pads): Đối với các QFP với độ cao ≤ 0,5 mm, các đầu đệm nét (taper pad) sẽ có chiều rộng 70% để giảm nguy cơ đập cầu trong quá trình dòng chảy trở lại.

3. Tối ưu hóa Cổng mở stencil
Khối lượng bột hàn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng khớp.

Sử dụng mẫu văn cắt bằng laser: Chúng cung cấp độ khoan dung chặt chẽ hơn (± 0,01mm) so với mẫu văn khắc hóa học, rất quan trọng đối với các thành phần sắc nét.

4. Thực hiện các giao dịch tín nhiệm hiệu quả
a.Nơi đặt:
Thêm 3 fiducials cho mỗi PCB (một trong mỗi góc, không tuyến tính) cho tam giác.
Bao gồm 2 ¢ 3 cấp độ bảng tin cậy cho các bảng đa PCB.
Thiết kế:
Chiều kính: 1,0 ∼ 1,5 mm (bốm rắn, không có mặt nạ hàn hoặc màn in lụa).
Khoảng cách: 0,5 mm so với tất cả các tính năng khác để tránh sự can thiệp phản xạ.
c. Vật liệu: Sử dụng kết thúc HASL hoặc OSP (matte) thay vì ENIG (lấp lánh), vì máy ảnh AOI phải vật lộn với bề mặt phản xạ.

5Cải thiện quản lý nhiệt
a. Các đường nhiệt: Đặt 4 ′′6 đường (0,3 mm đường kính) dưới các thành phần điện để chuyển nhiệt đến các mặt phẳng mặt đất bên trong. Đối với các thiết bị công suất cao (> 5W), sử dụng đường 0,4 mm với khoảng cách 1 mm.
b. Trọng lượng đồng:
1oz (35μm) cho các thiết kế năng lượng thấp (<1W).
2oz (70μm) cho các thiết kế công suất trung bình (1 ¢ 5W).
4oz (140μm) cho các thiết kế công suất cao (> 5W).
c. Các bộ đệm nhiệt: Kết nối các bộ đệm nhiệt tiếp xúc (ví dụ, trong QFNs) với các khu vực đồng lớn bằng cách sử dụng nhiều đường dẫn để giảm kháng nhiệt 40~60%.

6. Cải thiện sự toàn vẹn tín hiệu
a. Chống được kiểm soát: Sử dụng máy tính PCB để thiết kế các dấu vết cho 50Ω (một đầu) hoặc 100Ω (sự khác biệt) bằng cách điều chỉnh:
Độ rộng dấu vết (0,2 ∼0,3 mm cho 50Ω trong FR-4 1,6 mm).
Độ dày dielectric (khoảng cách giữa tín hiệu và mặt đất).
b. Khoảng cách theo dõi: duy trì khoảng cách ≥ 3x chiều rộng theo dõi cho tín hiệu ≥ 100MHz để giảm thiểu crosstalk.
c. Địa hình mặt đất: Sử dụng các mặt đất vững chắc liền kề các lớp tín hiệu để cung cấp các tuyến đường trở lại cản thấp và bảo vệ chống lại EMI.

Yêu cầu SMT thiết yếu cho thiết kế PCB
Việc đáp ứng các yêu cầu này đảm bảo khả năng tương thích với các quy trình sản xuất SMT:
1. PCB Substrate và Độ dày
a. Vật liệu: FR-4 với Tg ≥ 150 °C cho hầu hết các ứng dụng; FR-4 có Tg cao (Tg ≥ 170 °C) cho sử dụng trong ô tô / công nghiệp (được chịu nhiệt độ tái chảy 260 °C).
b. Độ dày: 0,8 × 1,6 mm cho các thiết kế tiêu chuẩn.
c. Khả năng dung nạp: ≤ 0,75% (IPC-A-600 lớp 2) để đảm bảo tiếp xúc stencil và vị trí thành phần thích hợp.

2. Mặt nạ hàn và màn in lụa
a. Mặt nạ hàn: Sử dụng mặt nạ có thể chụp ảnh bằng chất lỏng (LPI) với khoảng cách 0,05 mm so với miếng đệm để ngăn ngừa các vấn đề gắn kết.
b. Silkscreen: Giữ văn bản và biểu tượng cách các miếng đệm 0,1 mm để tránh nhiễm mờ hàn. Sử dụng mực trắng để có tầm nhìn AOI tốt nhất.

3. Chọn bề mặt hoàn thiện

4. Phân thảo các thực tiễn tốt nhất
a.Kích thước bảng: Sử dụng kích thước tiêu chuẩn (ví dụ: 18 ′′ x 24 ′′) để tối đa hóa hiệu quả của máy SMT.
b. Các tab Breakaway: Kết nối PCB với 2 ′′ 3 tabs (2 ′′ 3 mm rộng) để ổn định; sử dụng V-scores (30 ′′ 50% độ sâu) để dễ dàng khôi phục.
c. lỗ công cụ: Thêm 4 6 lỗ (3,175mm đường kính) vào các góc bảng để sắp xếp máy.

Vai trò của DFM trong thành công SMT
Các đánh giá về thiết kế cho khả năng sản xuất (DFM) Ưu tiên được thực hiện với nhà sản xuất PCB của bạn Ưu tiên xác định các vấn đề trước khi sản xuất.
a.Xác thực dấu chân thành phần so với IPC-7351.
b. Mô phỏng khối lượng bột hàn cho các thành phần sắc nét.
c. Khả năng tương thích hồ sơ nhiệt với vật liệu PCB.
d. Khả năng tiếp cận điểm thử nghiệm (0,8 × 1,2 mm đường kính, ≥ 0,5 mm từ các thành phần).

Câu hỏi thường gặp
Q: Kích thước thành phần nhỏ nhất đòi hỏi các cân nhắc thiết kế SMT đặc biệt là gì?
A: 0201 thành phần (0,6mm x 0,3mm) yêu cầu khoảng cách chặt chẽ (≥ 0,15mm) và kích thước pad chính xác để tránh đặt mộ.

Q: Tôi có thể sử dụng hàn chì để đơn giản hóa thiết kế SMT?
A: hàn không chì (ví dụ: SAC305) được yêu cầu bởi RoHS trong hầu hết các thị trường, nhưng hàn có chì (Sn63/Pb37) có nhiệt độ tái chảy thấp hơn (183 °C so với 217 °C).nó không loại bỏ các vấn đề thiết kế như cầu nối.

Hỏi: Làm thế nào để ngăn chặn các quả cầu hàn trong lắp ráp SMT?
A: Sử dụng lỗ nắp stencil phù hợp (80 ∼ 90% chiều rộng của miếng đệm), đảm bảo bề mặt PCB sạch sẽ và kiểm soát nhiệt độ tái lưu để tránh phun bột.

Q: Chiều cao thành phần tối đa cho lắp ráp SMT là bao nhiêu?
A: Hầu hết các máy chọn và đặt xử lý các bộ phận cao đến 6mm; các bộ phận cao hơn đòi hỏi công cụ đặc biệt hoặc đặt bằng tay.

Q: Tôi cần bao nhiêu điểm thử nghiệm cho PCB SMT?
A: Mục tiêu là 1 điểm thử nghiệm cho mỗi 10 thành phần, với ít nhất 10% phủ sóng của các mạng quan trọng (sức mạnh, mặt đất, tín hiệu tốc độ cao).

Kết luận
Thiết kế PCB SMT đòi hỏi sự cân bằng giữa hiệu suất điện và khả năng sản xuất.và quản lý nhiệt và tuân thủ các tiêu chuẩn ngành công nghiệp, bạn có thể giảm thiểu các khiếm khuyết, giảm chi phí, và tăng tốc thời gian ra thị trường.
Hãy nhớ: Hợp tác với đối tác sản xuất của bạn là rất quan trọng.
Điểm quan trọng: Đầu tư thời gian vào thiết kế SMT thích hợp trước sẽ làm giảm việc làm lại, cải thiện độ tin cậy và đảm bảo PCB của bạn hoạt động như dự định trong lĩnh vực.