Il posizionamento dei fiducial marker o fiducial sui PCB è ancora necessario, date le moderne tecnologie di produzione?

Circa 10 anni fa ho smesso di guardare film horror. Quando ero giovane amavo spaventarmi di proposito, ma quando ho iniziato la mia carriera di ingegnere, mi sono interessato di più all'azione e ai film di fantascienza. Molto probabilmente perché ho avuto la mia parte di storie dell'orrore a lavoro, quando i semplici errori sono diventati dei disastri da incubo nella fase di produzione dei PCB..

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Quando ho iniziato la mia carriera di progettista elettronico, i componenti a foro passante erano più diffusi mentre quelli a montaggio superficiale erano rari. Quando il QFP (Quad Flat Package) o i microcontrollori (MCU) sono diventati di moda, non ho avuto altra scelta che abbandonare il PLCC (Plastic Plug-in Chip Carrier) perché il supporto PLCC richiede una spina aggiuntiva, mentre il pacchetto QFP può essere montato direttamente sul circuito. A mio parere, arriverà un giorno in cui i produttori di chip preferiranno i pacchetti QFP o simili ai microcontrollori nei pacchetti PLCC. A questo punto vi chiederete: cosa sono i fiducial marker, noti anche come fiducial per PCB?

Quando i miei fornitori/assemblatori di PCB mi hanno scritto via email dicendomi che non potevano supportare MCU su 200 schede di produzione, è allora che è iniziato l'incubo. Essendo abituato a supportare il PLCC per i componenti passanti, non avevo pensato di fornire fiducial sul PCB. Ciò significava che tutti i microcontrollori in pacchetti QFP con passi piccoli dovevano essere assemblati a mano.

Il risultato è stato un gran numero di schede rifiutate e di ore passate a riparare gli errori dovuti a saldature manuali difettose. Da allora, mi sono sempre preso la briga di usare fiducial per PCB nei miei progetti, anche se i miei fornitori mi informano di aver aggiornato le loro macchine per farle funzionare senza di essi.

_{Potresti finire in un completo disastro in fase di produzione dei PCB se tralasci i fiducial per PCB.}

Cos’è un fiducial marker o fiducial per PCB e perché è importante nella produzione?

Nel mondo della progettazione di circuiti stampati, un fiducial marker, o fiducial per PCB, è una forma arrotondata di rame che serve come punto di riferimento per le macchine di assemblaggio pick and place. I fiducial consentono alle macchine di riconoscere l'orientamento della scheda e di montare componenti a montaggio superficiale in pacchetti con passi piccoli come Quad Flat Package (QFP), Ball Grid Arrays (BGA) o Quad Flat No-Lead (QFN).

Ci sono due tipi di fiducial per PCB usati solitamente nei progetti dei circuiti stampati: i fiducial marker globali e locali. I fiducial globali sono in rame e posizionati sul bordo del PCB, permettendo alla macchina di determinare l'orientamento della scheda su un asse X-Y. Le macchine di posizionamento utilizzano i fiducial anche per compensare qualsiasi deviazione del PCB durante il posizionamento.

I fiducial marker locali sono in rame e posti all'esterno dell'angolo di un componente SMD quadrato. Viene utilizzato dalle macchine di posizionamento per localizzare con precisione l'impronta di un componente e per ridurre gli errori del loro posizionamento in fase di produzione del PCB. Tutto ciò è molto importante se il progetto contiene componenti con una piccola spaziatura e di grandi dimensioni in pacchetti quadrati.

_{Verifica sempre con il produttore i requisiti dei fiducial marker per evitare problemi in fase di produzione del PCB.}

I fiducial marker, o fiducial per PCB, sono necessari nella moderna tecnologia di produzione?

Ho sempre progettato i miei PCB con fiducial per PCB sia globali che locali. Tuttavia, quando ho letto un articolo che descriveva la possibilità di omettere i fiducial locali, sono rimasto affascinato. Aveva senso rimuoverli su PCB più piccoli per avere più spazio possibile per le tracce.

Grazie ai progressi della tecnologia di produzione, i fiducial locali possono essere omessi a determinate condizioni. Su schede più piccole, le moderne macchine di assemblaggio possono posizionare i componenti SMD utilizzando esclusivamente fiducial globali, ma anche su componenti che hanno una spaziatura dei pin più grande, è possibile ometterli. Le macchine più recenti sono in grado, ad esempio, di posizionare con precisione i componenti SMD con un passo di 1,0 mm e oltre.

Inoltre, è molto importante discutere le prestazioni delle macchine con il produttore prima di rimuovere i fiducial locali dal vostro progetto. Ho imparato, grazie alla cattiva esperienza, che non tutti i produttori hanno macchine dotate delle più recenti tecnologie. I fiducial globali, invece, non dovrebbero mai essere omessi, persino se si utilizza uno dei sistemi più avanzati per la produzione dei PCB.  

Le migliori tecniche per l'uso dei fiducial nella progettazione e nella produzione di PCB

_{La fase di assemblaggio, tra tutte le fasi della produzione dei PCB, è una delle più delicate, per questo è molto utile avvalersi dell’aiuto offerto dai fiducial per PCB.}

Se vuoi ottenere il massimo dalla macchina di assemblaggio, è necessario impostare correttamente i fiducial per PCB. Ci sono alcune importanti linee guida per impostarli nel progetto.

1. Il fiducial per PCB viene creato ponendo uno strato di rame tondo non forato in una forma circolare. Non ci deve essere una maschera di saldatura sul fiducial.
2. La dimensione ottimale di un fiducial marker è compresa tra 1 mm e 3 mm. Bisogna lasciare un’area vuota simile al diametro del fiducial per PCB.
3. Nell'interesse della massima precisione, tre marker devono essere posizionati sul bordo del PCB per i fiducial globali. Se non c'è abbastanza spazio, è necessario almeno un fiducial globale.
4. Il fiducial marker deve essere posizionato ad almeno 0,76 cm dal bordo della scheda, senza contare la zona libera intorno al fiducial del PCB.
5. Per i fiducial locali, almeno due fiducial devono essere posizionati diagonalmente l'uno di fronte all'altro sul bordo esterno del componente SMD.
6. Quando la scheda è più grande, qualsiasi disallineamento angolare durante la produzione sarà minima, perché una piccola deviazione angolare sarà più facile da rilevare quando la distanza tra i fiducial del PCB è maggiore.

Un’osservazione sulla dimensione del fiducial per PCB

Le dimensioni del PCB sono solitamente da 1 a 3 mm, ma la dimensione corretta dipende dalle macchine di assemblaggio utilizzate dal produttore. Alcuni produttori consigliano di aggiungere tre fiducial sul PCB agli angoli della scheda. Ciò darà due misure di allineamento angolare permettendo alla macchina pick and place di dedurre l'orientamento corretto. Alcuni produttori indicano una dimensione specifica, che dipende anche dalle macchine di assemblaggio utilizzate. In generale, il diametro dell'apertura della maschera di saldatura deve essere il doppio del diametro del rame nudo per il fiducial, sebbene alcuni produttori preferiscono che l'apertura sia il triplo del diametro fiducial. Inoltre, la dimensione del fiducial sulla stessa scheda (sia globale che locale) deve essere uniforme e non superare ~ 25 micron.

Se assembli una scheda a due strati, i fiducial del PCB dello strato superiore e inferiore devono essere posizionati uno sopra l'altro. Tutto ciò può sorprendere perché si pensa che il layout dei fiducial deve essere l'uno la copia dell'altro. Tuttavia, nessun produttore lo ha mai affermato nelle sue linee guida. Le dimensioni dello strato superiore e inferiore del fiducial del PCB devono essere le stesse, inclusa l'apertura della maschera di saldatura.

_{Due tipiche dimensioni del fiducial per PCB e consigli per l'apertura della maschera di saldatura.}

I fiducial locali sono piccoli, di 1 mm con un'apertura di 2 mm per le maschere di saldatura. Tuttavia, poni attenzione alla regola D-3D mostrata nell'immagine precedente, poiché il produttore potrebbe preferire un’apertura più grande. La dimensione del fiducial locale solitamente non è molto più grande di 1 mm. In questo modo, è possibile instradare le tracce e lasciare spazio ad altri componenti. Per i componenti di piccole dimensioni, come un resistore 0201 o un BGA di dimensione chip, la macchina di assemblaggio sarà abbastanza precisa da non richiedere un fiducial locale e saprà esattamente dove posizionare i componenti in fase di produzione del PCB.

Non c'è nulla di male nel controllare se le dimensioni del fiducial del PCB e l'apertura della maschera di saldatura sono corrette prima di inviare il progetto al produttore. I fiducial sono classificati come meccanici nella scheda e non sono collegati a nulla, quindi è facile modificare l'impronta per un fiducial personalizzato e posizionarne un nuovo se necessario. Alcuni produttori modificheranno per te le dimensioni del fiducial del PCB se non sono correttamente dimensionati.

Con un software professionale per la progettazione di PCB come CircuitStudio^® di Altium è possibile impostare un fiducial inserendo un pad, ridurre la dimensione del foro a zero e impostare i valori di diametro corretti.

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