Projektowanie płytek drukowanych pod kątem metody montażu

Transkrypt

1 Wykład z przedmiotu Montaż elektroniczny i systemy testujące Specjalność: Sensory i mikrosystemy Projektowanie płytek drukowanych pod kątem metody montażu Literatura: [1] R.Kisiel Podstawy technologii dla elektroników, Wyd. BTC, 2005, [2] Zb. Rymarski Materiałoznawstwo i konstrukcja urządzeń elektronicznych Wyd. Polit. Śląskiej, Gliwice [3] Ed. Blackwell, G.R., The Electronic Packaging Handbook, Boca Raton, CRC Press LLC, Dr inż. Barbara Dziurdzia, dziurd@agh.edu.pl, tel, (012) Dr inż. Wojciech Maziarz, maziarz@agh.edu.pl, tel. (012)

2 Plan Projektowanie układów elektronicznych uwzględniające wymogi produkcji Ograniczenia w projektowaniu układów elektronicznych Zasady projektowe (zalecane szerokości ścieżek, wymiary pól lutowniczych, prowadzenie ścieżek, itp.) Podsumowanie

3 Projektowanie układów elektronicznych uwzględniające wymogi produkcji (Design for Manufacture) Cel: uzyskanie powtarzalności produkcji układów przy jednoczesnym dużym uzysku. Zadania stawiane projektantowi: - skrócenie czasu wejścia produktu na rynek (proces projektowania bez rewizji, skrócony cykl) produkcji - minimalizacja kosztów produkcji, polepszenie jej jakości - zdolność szybkiego reagowania na zmiany technologii - integracja projektu i produkcji

4 Integracja projektu i produkcji etapy cyklu projektowego Tworzenie założeń projektu koszt, wymiary, obudowa Analiza termiczna rozproszenie mocy, chłodzenie Wybór metody połączeń lutowanie, bonding, itp. Analiza problemów przechodzenia sygnałów - opóźnienia czasowe, przesłuchy, EMC Określenie podatności układu na testowanie dostęp do punktów testowych, osprzęt testowy Konstrukcja mechaniczna materiał płytki drukowanej, obudowa Wybór elementów sposób mocowania i łączenia, koszt, dostępność Wybór płyty drukowanej materiał, stabilność podłoża Wytwarzanie wydajność procesu, koszt, metoda pokrycia płyt drukowanych Testowanie testy nieobsadzonej płyty, metodyka testowania MDA, ścieżka brzegowa Montaż ustawienie linii produkcyjnej, wydajność maszyn Inspekcja automatyczna inspekcja optyczna (AOI), tworzenie dokumentacji

5 Wybrane ograniczenia w projektowaniu układów elektronicznych Problemy: odprowadzanie ciepła z płyty drukowanej/modułu/urządzenia ograniczenia związane z łączeniem elementów z płytą PCB elementy do montażu powierzchniowego i przewlekanego problem dostosowania wymiarów odp. elementów do płyty zagadnienia projektowania obwodów (prowadzenie ścieżek zasilania, masy, rozprowadzanie sygnałów zegarowych, rozumienie zasady działania układu i uwzględnianie jego specyfiki, świadomość możliwości technologicznych) elementy mechaniczne i elektromechaniczne (mocowania płyt do obudowy, elementy wsporcze, osłonowe, ekrany, złącza elektryczne itp.), elementy montowane poza płytą (potencjometry, pokrętła, wskaźniki, diody itp.

6 Ograniczenia w projektowaniu odprowadzanie ciepła Coraz mniejszy udział w rynku technologii montażu przewlekanego THMD więcej technologii mieszanej i SMD. Problemy: mniejsze obudowy układów muszą rozproszyć większą ilość ciepła na jednostkę powierzchni (struktura aktywna wewnątrz obudowy np. DIL i SMD jest taka sama!) zwiększona gęstość upakowania obudów na jednostkę powierzchni płytki drukowanej wzrost powierzchniowej gęstości mocy płytki drukowanej Przepływ powietrza i rozkład temperatury dla płyty drukowanej z podzespołami Źródło: materiały firmy Flomerics

7 Ograniczenia w projektowaniu odprowadzanie ciepła Jak sobie z tym radzić? Etap projektowania - symulacja i modelowanie zjawisk termicznych (ulepszanie projektu w kolejnych iteracjach)

8 Ograniczenia w projektowaniu odprowadzanie ciepła Temperatura oraz przepływ powietrza wokół płyty drukowanej Wynik symulacji z programu FLO/PCB firmy Flomerics. Więcej przykładów w konkretnych zastosowaniach: applications lery/

9 Ograniczenia w projektowaniu odprowadzanie ciepła Jak sobie z tym radzić? Etap wykonanego urządzenia - efektywne odprowadzanie ciepła radiatory, wentylatory, moduły Peltiera, pompy ciepła, chłodzenie wodne Z obniżeniem temperatury wzrasta niezawodność elektroniki!

10 Symulacje EMC etap projektowania urządzenia elektronicznego Wynik symulacji EMC dla komputera PC uzyskany z programu FLO/EMC firmy Flomerics.

11 Symulacje przepływu powietrza etap projektowania Naturalny przepływ powietrza w pomieszczeniu wywołany nieszczelnością okien wynik symulacji (materiały firmy Flomerics).

12 Płytki drukowane dla układów b.w.cz. (~GHz) - problemy Źródło: Joseph Fjelstad, Gary Yasumura, Kevin Grundy, and Colin Mick, An Alternative Approach to Circuit Design and Assembly for High Speed Interconnections, SiliconPipe, Inc., Dec. 29, 2004 (

13 Płytki drukowane dla układów b.w.cz. (~GHz) - rozwiązania Źródło: Joseph Fjelstad, Gary Yasumura, Kevin Grundy, and Colin Mick, An Alternative Approach to Circuit Design and Assembly for High Speed Interconnections, SiliconPipe, Inc., Dec. 29, 2004 (

14 Płytki drukowane dla układów b.w.cz. (~GHz) - rozwiązania Źródło: Joseph Fjelstad, Gary Yasumura, Kevin Grundy, and Colin Mick, An Alternative Approach to Circuit Design and Assembly for High Speed Interconnections, SiliconPipe, Inc., Dec. 29, 2004 (

15 Rozwój technologii płyt drukowanych w czasie Źródło: Joseph Fjelstad, Gary Yasumura, Kevin Grundy, and Colin Mick, An Alternative Approach to Circuit Design and Assembly for High Speed Interconnections, SiliconPipe, Inc., Dec. 29, 2004 (

16 Rozwój technologii układów scalonych w czasie ewolucja obudów Źródło: R.Kisiel Podstawy technologii dla elektroników, Wyd. BTC, 2005

17 Obudowy układów - 3D (MCM) MCM (multi-chip-modules) Fujitsu Microelectronics: stos ośmiu struktur w jednym chipie IC. Aby to osiągnąć, konieczne pocienianie IC aż do mm (dane wg Fujitsu). Jest to konieczne, by całkowita grubość IC nie przekraczała 2 mm, co jest wymogiem większości projektów. Źródło: Die Products: Ideal IC Packaging For Demanding Applications, Larry Gilg, Chris Windsor, December 23, 2002 (

18 Obudowy MCM 3D zastosowanie praktyczne: telefon komórkowy 3G z kamerą Źródło: Die Products: Ideal IC Packaging For Demanding Applications, Larry Gilg, Chris Windsor, December 23, 2002 (

19 Udział różnych typów obudów IC Źródło: Printed Wiring Board INDUSTRY PROFILE, report of Microelectronics and Computer Technology Corporation and The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits (

20 Typy montażu lutowanego Montaż przewlekany Montaż powierzchniowy Montaż mieszany

21 Konstrukcja podzespołów przewlekanych i powierzchniowych - porównanie rezystor rezystor np.dioda np.dioda Montaż przewlekany Montaż powierzchniowy

22 Elementy powierzchniowe wygląd obudów 1,2 kondensatory tantalowe, 3,4 kondensator elektrolityczny, 5 - obudowa typu chip 0805 (kond. ceramiczny), 6 chip 1206 (kond. ceram.), 7 chip 1210 (kond. ceram.), 8 porcelanowy (duża Q) do RF; 9 - trymer oraz R do montażu przewlekanego (1/4 W) Dual in line: SOIC; TSOP; SSOP; TSSOP; VSOP. Quad in line: PLCC; QFP; LQFP; PQFP; CQFP; TQFP; QFN; PQFN. Grid arrays: BGA; LFBGA; CGA; CCGA; μbga; LLP. Non packaged devices: COB; COF; COG; MLP; MQFP. Źródło:

23 Elementy powierzchniowe rozmiary Obudowy typu chip Źródło: oraz R.Kisiel Podstawy technologii dla elektroników, Wyd. BTC, 2005

24 Ograniczenia w projektowaniu związane z łączeniem elementów z płytą PCB W urządzeniach występuje wielka ilość różnorodnych elementów elektrycznych i mechanicznych. Urządzenie może składać się z płyt podstawowych (modułów) tworzących bloki, które następnie mogą tworzyć skomplikowany system. Wymiary geometryczne punktów lutowniczych pod układy scalone zależne od technologii łączenia: Punkty lutownicze dla elementów SMD przeznaczone do lutowania na fali są większe niż dla lutowania rozpływowego projektant musi wiedzieć, jaką techniką będzie lutowana płytka Z dużym prawdopodobieństwem można przyjąć, że: elementy umieszczone na spodzie płyty PCB będą klejone i następnie lutowane na fali, elementy umieszczone na górnej warstwie PCB (nie mające otworów w punktach lutownicznych) będą lutowane techniką rozpływową Oprogramowanie typu CAD najczęściej samo dobiera typ lutowania i projektant ma ułatwione zadanie...

25 Zasady projektowe - ograniczenia W urządzeniach występuje wielka ilość różnorodnych elementów elektrycznych i mechanicznych. Urządzenie może składać się z płyt podstawowych (modułów) tworzących bloki, które następnie mogą tworzyć skomplikowany system. Czynniki decydujące o wymiarach modułu (płyty podstawowej): Ilość i rodzaj elementów na płytce drukowanej (wpływ na ilość otworów montażowych i pól lutowniczych) Konieczna liczba połączeń Liczba warstw w płytce drukowanej (wielowarstwowe: sprzęt profesjonalny, wymagana duża dokładność wykonania) Dopuszczalna szerokość ścieżek drukowanych i odległości między nimi (obciążalność prądowa ścieżek, dobór grubości miedzi na laminacie) min. szer. ścieżek w warstwach zewnętrznych i odl. między nimi 0.15mm dla warstw wewnętrznych 0.20mm Sposób odprowadzania ciepła Ekonomiczne wykorzystywanie materiałów (np.laminatów) oraz urządzeń technologicznych (max szer. płyty 400mm) Wymiary obudowy, prowadnic, złącza

26 Zasady projektowe moduł podstawowy (płytka drukowana) Podstawowy element konstrukcyjny modułu = podstawa montażowa (płytka drukowana), mieszcząca elementy elektroniczne i podzespoły elektromechaniczne. Konstrukcja modułu podstawowego - strefy I strefa montażu elementów elektronicznych (tworzących obwód elektryczny) należy uwzględniać wymiary elementów! II strefa złącza (kontakty złącz, lutowanie przewodów zewn.); zajmuje 10-15% płytki III strefa dostępu zewnętrznego (gniazda pomiarowe, elementy regulacyjne i wskaźnikowe, uchwyty) IV strefa mocowania (w prowadnicach konstrukcji nośnej); obudowy podzespołów powinny być oddalone od prowadnic o 5mm, ścieżki od krawędzi prowadnic 3mm

27 Obwody drukowane Elementy składowe obwodu drukowanego Wygląd fragmentu płyty głównej (Intel D975XBX)

28 Zasady projektowe Powierzchnia zajmowana przez podzespoły......przewlekane...powierzchniowe Źródło: R.Kisiel Podstawy technologii dla elektroników, Wyd. BTC, 2005

29 Zasady projektowe Ograniczenia... Przykładowe kształty pól lutowniczych elementów SMD Rodzaje obwodów: jednostronne (a), dwustronne (b), wielowarstwowe (c) Zalecane wymiary pól lutowniczych (a) w zależności od wymiarów ich wyprowadzeń (b)

30 Zasady projektowe Usytuowanie podzespołów względem krawędzi płytki Przykładowe rodzaje punktów lutowniczych: zwykłych (a) oraz z metalizowanym otworem (b)

31 Ścieżki w obwodach drukowanych Zmiana rezystancji ścieżek w zależności od ich grubości, szerokości i temperatury.

32 Prowadzenie ścieżek między wyprowadzeniami elementów - odległości (a) montaż przewlekany (b) montaż powierzchniowy

33 Siatka projektowa (raster) Sposób wyznaczania rastrów projektowych Uniwersalna płytka drukowana QFP64 raster 0.8mm Źródło:

34 Metody lutowania a wielkość rastra Klasyfikacja metod lutowania

35 Metody lutowania a wielkość rastra Źródło: R.Kisiel Podstawy technologii dla elektroników, Wyd. BTC, 2005

36 Montaż przewlekany punkty lutownicze Praktycznie w warunkach domowych często wykonuje się ścieżki wg konstrukcji niezalecanych np. ze względu na oszczędność środka trawiącego Zalecany kształt punktów lutowniczych Źródło: R.Kisiel Podstawy technologii dla elektroników, Wyd. BTC, 2005

37 Montaż przewlekany ręczny odległości między podzespołami Odległości między podzespołami przy lutowaniu ręcznym

38 Montaż przewlekany zależności między wymiarami Zależności wymiarowe przy rozstawianiu elementów i pól lutowniczych, kmin = 0,5 mm, Pmin = 0,4 mm Zależność między wymiarami elementu o wyprowadzeniach osiowych a rozmieszczeniem pól lutowniczych

39 Montaż powierzchniowy pola lutownicze

40 Odległości między podzespołami powierzchniowymi Kryteria określania odległości osi podzespołów powierzchniowych umieszczanych na płytce: Fmin=Wmax+2 P+Gmin, Gmin = 0,5 mm, dokładność pozycjonowania

41 Lutowanie na fali Mocowanie podzespołów przed lutowaniem na fali: (a) nanoszenie kleju, (b) układanie elementów, (c) utwardzanie kleju Idea lutowania na fali

42 Lutowanie na fali problemy Efekt cienia jedna z końcówek zasłonięta przez element nie zostaje przylutowana Zwarcie wyprowadzeń

43 Lutowanie na fali rozmieszczanie elementów Optymalne rozłożenie podzespołów na płytce podczas lutowania na fali

44 Lutowanie na fali rozmieszczanie elementów Pułapki lutowia umieszczone za ostatnimi wyprowadzeniami układu SO Zalecane położenie pułapek lutowia dla układów PLCC i QFP lutowanych na fali

45 Montaż powierzchniowy klejenie elementów Miejsce naniesienia kleju i kryteria doboru wysokości kropli Tracone pola miedzi pod podzespołem biernym i czynnym

46 Zalecenia odległości między podzespołami Zależności co do odległości między podzespołami......strona elementów...strona lutowania

47 Rozmieszczanie podzespołów c.d. Prawidłowe (a) i nieprawidłowe (b) ze względu na dystrybucję ciepła rozmieszczenie podzespołów

48 Pola lutownicze zalecenia Zalecane odstępy między różnymi typami podzespołów...dla PLCC

49 Umieszczanie przelotek zalecenia Umieszczanie przelotek na ścieżkach niepoprawne oraz poprawne Zalecane wymiary przy wyprowadzeniach ścieżki z pola lutowniczego

50 Prowadzenie ścieżek lutowniczych (a) (b) Złe i prawidłowe wyprowadzenia ścieżek z pól lutowniczych dla elementów biernych (a) oraz dla układu scalonego (b)

51 Podsumowanie Przed zaprojektowaniem płytki przemyślenie założeń i ograniczeń (koszt, wymiary płyty, obudowy, elementów, wymagania spełnienia norm itd.) O ile możliwe - symulacje (EMC, termiczne) Uwzględnienie metody montażu ograniczenia związane z metodami Wybór materiałów i metod montażu, montaż Testowanie Tworzenie dokumentacji Integracja projektu i produkcji