Czy umieszczanie na projektach płytek PCB znaczników odniesienia wciąż jest uzasadnione, biorąc pod uwagę dzisiejsze standardy produkcji PCB?

W projektach płytek PCB znaczniki odniesienia pomagają maszynom rozpoznać prawidłową orientację płytki drukowanej

Około 10 lat temu przestałem oglądać horrory.  W czasach mojej młodości lubiłem czuć dreszczyk emocji towarzyszący ich oglądaniu, ale później, wraz z rozwojem mojej kariery inżynierskiej, bardziej zainteresowałem się takimi gatunkami, jak kino akcji czy science fiction.  To w sumie całkiem logiczne, ponieważ pewna groza towarzysząca horrorom zaczęła mi czasem doskwierać w pracy, gdzie proste błędy mogły powodować katastrofalne sytuacje związane z produkcją układów.

Zarejestruj się i już dzisiaj wypróbuj Altium Designer

Gdy rozpoczynałem swoją karierę w projektowaniu elektroniki, niezwykle popularne były wszelkie komponenty z otworami przelotowymi. Rzadkością były natomiast elementy montowane na powierzchni układów. Kiedy pakiety QFP (ang. Quad Flat Package) mikrokontrolerów (MCU) stały się popularne, nie miałem innego wyboru, jak tylko zmienić stare przyzwyczajenia dotyczące wykorzystania 4-stronnej obudowy typu PLCC (ang. Plastic Leaded Chip Carrier).  Stało się tak, ponieważ obudowy PLCC wymagają dodatkowego gniazda, podczas gdy pakiety QFP mogą być montowane bezpośrednio na płytce drukowanej.  Już wtedy dało się zauważyć, że to tylko kwestia czasu, zanim producenci przestaną produkować mikrokontrolery w pakietach PLCC na rzecz QFP lub podobnych pakietów.

Mój koszmar zaczął się, gdy pewnego razu jeden z moich dostawców wysłał mi wiadomość e-mail, że niestety nie jest w stanie zamontować MCU na 200 zamówionych przeze mnie płytkach drukowanych.  Będąc przyzwyczajonym do gniazd PLCC, które są elementami z otworami przelotowymi, nie przyszło mi nawet do głowy, żeby umieścić na płytce PCB znaczniki odniesienia (ang. fiducial markers).  Niedostarczenie ich oznaczało, że wszystkie mikrokontrolery pakietów QFP ze zbyt małymi podziałkami musiały być składane ręcznie.

W rezultacie o wiele większy odsetek produkowanych płytek został odrzucony, a ja straciłem później wiele godzin na poprawianiu błędów po niezbyt dokładnym lutowaniu ręcznym.  Od tego czasu zawsze staram się wykorzystywać w projektach PCB znaczniki odniesienia, nawet jeśli dostawcy informują mnie o tym, że zmodernizowali swoje maszyny i mogą one działać sprawnie również bez nich.

Jeśli pominiesz w projekcie PCB znaczniki odniesienia, możesz narobić sobie sporych problemów.

Czym jest znacznik odniesienia i jak pomaga w procesie produkcji PCB?

W projektach płytek PCB znaczniki odniesienia to zaokrąglone kształty miedzi, które służą jako punkt odniesienia dla automatów montażowych typu „pick and place”.  Pomagają one tym maszynom rozpoznać nie tylko prawidłową orientację płytki drukowanej, ale także wszystkie komponenty do montażu powierzchniowego w pakietach, które mają małe podziałki, takie jak wspomniany wyżej pakiet QFP (ang. Quad Flat Package), ale również BGA (ang. Ball Grid Arrays) czy QFN (ang. Quad Flat No-Lead).

Wyróżnia się dwa rodzaje znaczników odniesienia wykorzystywanych powszechnie na projektach płytek drukowanych. Mowa tutaj o znacznikach globalnych i lokalnych. Globalne znaczniki odniesienia to specjalne odniesienia miedziane, które umieszcza się na krawędziach płytki PCB, dzięki czemu automat produkujący płytkę jest w stanie określić jej prawidłową orientację względem osi X-Y. Maszyny pozycjonujące wykorzystują ponadto znacznik odniesienia do wyrównania ewentualnych zakrzywień powstałych podczas ucisku płytki drukowanej.

Lokalne znaczniki odniesienia to miedziane znaczniki umieszczane na zewnątrz narożnika pakietu QFP zamontowanego na powierzchni. Znacznik ten wykorzystywany jest po to, aby maszyny montujące mogły precyzyjnie zlokalizować ślady komponentów i, co za tym idzie, zredukować błędy w ich niewłaściwym rozmieszczeniu. Jest to szczególnie istotne, gdy nasz projekt zawiera elementy z różnych pakietów, czyli zarówno te o dużym jak i niewielkim rozmiarze.

_{Weryfikacja zaleceń dostawcy dotycząca stosowania znaczników odniesienia podczas projektowania i produkcji PCB odgrywa bardzo ważną rolę.}

Czy znaczniki odniesienia są konieczne przy dzisiejszej technologii produkcji PCB?

Osobiście zawsze projektuję swoje płytki PCB, wykorzystując zarówno globalne jak i lokalne znaczniki odniesienia. Gdy jednak pewnego dnia natknąłem się na artykuł, który opisywał możliwość ignorowania przez maszyny znaczników lokalnych, temat ten zainteresował mnie jeszcze bardziej. Okazało się, że usunięcie z małych płytek PCB znaczników odniesienia jest uzasadnione, ponieważ maksymalizuje przestrzeń dostępną na ścieżki sygnału.

Dzięki rozwojowi technologii w pewnych warunkach można zrezygnować ze znaczników lokalnych. Nowoczesne maszyny mogą umieszczać komponenty na powierzchni płytki, kierując się jedynie znacznikami globalnymi. Znaczniki odniesienia można również pominąć w przypadku elementów o większym nachyleniu. Dla przykładu, komponenty do montażu powierzchniowego o nachyleniu równym lub większym niż 1 milimetr mogą być bez problemu precyzyjnie umieszczone na płytce przez nowoczesne automaty do produkcji układów PCB.

Biorąc to pod uwagę, przed decyzją o usunięciu lokalnych znaczników odniesienia należy skonsultować się z dostawcą, który produkuje dla nas płytki PCB. Na własnej skórze przekonałem się, że nie wszyscy producenci dysponują najnowszą technologią. Z drugiej strony, nigdy nie powinno się rezygnować z globalnych znaczników odniesienia, nawet w przypadku dostawcy, który dysponuje najbardziej zaawansowanym sprzętem.   

Najlepsze praktyki wykorzystania znaczników odniesienia w projektach PCB

_{W projektach PCB znaczniki odniesienia służą jako punkt odniesienia dla automatów montażowych.}

Jeśli chcesz jak najlepiej wykorzystać możliwości maszyny produkcyjnej, musisz zadbać o odpowiednie ustawienie znaczników odniesienia w swoim projekcie. Przygotowaliśmy kilka wskazówek, które pomogą Ci zadbać o ich odpowiednie umieszczenie.

1. Znaczniki odniesienia tworzone są poprzez umieszczenie niewierconej warstwy miedzi o okrągłym kształcie.
   Co więcej, znacznik odniesienia powinien być pozbawiony maski lutowniczej.
2. Optymalny rozmiar znacznika odniesienia powinien wynosić od 1 do 3 milimetrów.
   Wokół znacznika należy zachować wolną przestrzeń zbliżoną do średnicy znacznika.
3. Odnośnie znaczników globalnych i zachowania ich najwyższego poziomu dokładności, na krawędzi płytki powinny zostać umieszczone 3 takie znaczniki.
   W przypadku, gdy jest tam za mało miejsca, wymagany jest minimum 1 znacznik globalny.
4. Znaczniki odniesienia muszą znajdować się w odległości minimum 7,5 milimetra od krawędzi płytki, z wyłączeniem wolnego obszaru, o którym mowa w punkcie 2.
5. Co tyczy się natomiast znaczników lokalnych: umieść co najmniej 2 znaczniki po przekątnej zewnętrznej krawędzi elementu montowanego na płytce.
6. W przypadku większych płytek wszelkie rozbieżności w dopasowaniu po przekątnej w procesie produkcji będą mniejsze. Wynika to z tego, że łatwiej jest wykryć niewielkie odchylenia po przekątnej, gdy odległość między znacznikami jest większa.

Uwaga na temat rozmiaru znaczników PCB

Znaczniki PCB mają zwykle od 1 do 3 mm średnicy, choć ich prawidłowy rozmiar zależy od automatów montażowych, z których korzysta Twój producent. Niektórzy producenci zalecają dodanie 3 znaczników na rogach płytki, gdyż dają one 2 dokładne pomiary po przekątnej i umożliwiają automatom typu „pick and place” ustalenie właściwej orientacji. Niektórzy producenci podają konkretny rozmiar znaczników, który także zależy od rodzaju używanego przez nich sprzętu montażowego. Generalnie rzecz biorąc, średnica otworu w masce lutowniczej powinna być dwukrotnie większa od średnicy miedzianego znacznika, choć niektórzy producenci preferują otwory w masce lutowniczej trzykrotnie większe od średnicy znacznika. Ponadto rozmiar znaczników PCB na tej samej płytce (zarówno globalnych jak i lokalnych) powinien być taki sam, a ewentualne różnice nie mogą przekraczać 25 mikronów.

Montując płytkę 2-warstwową, znaczniki w górnej i dolnej warstwie powinny stykać się ze sobą. Może to być zaskoczeniem, gdyż wydaje się, że układ znaczników powinien stanowić ich lustrzane odbicie, jednak nigdy nie widziałem, aby producent określił takie wymogi w swoich specyfikacjach. Rozmiar znaczników PCB w górnej i dolnej warstwie powinien być taki sam, podobnie jak i otwór w masce lutowniczej.

 _{Upewnij się, że w projekcie PCB znaczniki odniesienia mają odpowiedni rozmiar.}

Znaczniki lokalne mają rozmiar 1mm, zaś otwory w masce lutowniczej rozmiar 2mm. Należy jednak zwrócić uwagę na przedstawioną na powyższej ilustracji zasadę D-3D, gdyż Twój producent może preferować większy otwór w masce lutowniczej dla Twojego rozmiaru znacznika PCB. Rozmiar lokalnego znacznika PCB nie przekracza zwykle 1mm, aby umożliwić trasowanie ścieżek i zostawić dość miejsca na inne elementy. W przypadku małych elementów, takich jak rezystory czy BGA rozmiaru układów scalonych, automaty montażowe są na tyle dokładne, że nie ma potrzeby stosowania znaczników lokalnych, a automat będzie dokładnie wiedział, gdzie umieścić Twoje elementy.

Przed wysłaniem projektu do producenta nie zaszkodzi jednak sprawdzić, czy rozmiar Twoich znaczników PCB i otworów w masce lutowniczej są odpowiednie. Znaczniki klasyfikuje się jako elementy mechaniczne na płytce drukowanej, które nie są z niczym połączone, dlatego łatwo można zmodyfikować ślad pojedynczego znacznika czy też umieścić nowy znacznik, jeśli zajdzie taka potrzeba. Niektórzy producenci sami modyfikują rozmiar znaczników PCB, jeśli nie jest on odpowiedni.

Wykorzystywanie profesjonalnego oprogramowania do projektowania PCB, takiego jak CircuitStudio^® od Altium, ułatwia umieszczanie na płytce PCB znaczników odniesienia poprzez wstawianie podkładek, zmienianie ich rozmiarów do zera, czy ustawianie prawidłowych wartości dla ich średnicy.

Potrzebujesz więcej porad dotyczących umieszczania znaczników odniesienia na swoim projekcie płytki PCB? Skontaktuj się z ekspertem z Altium.

Zarejestruj się i już dzisiaj wypróbuj Altium Designer