PCB 설계 문제, 해결책 및 필수 SMT 요구 사항

SMT (Surface Mount Technology)는 전자 제조에 혁명을 일으켜 더 작고 빠르며 신뢰할 수있는 장치를 가능하게했습니다. 그러나 SMT의 정밀도는 엄격한 설계 요구 사항이 제공됩니다. 심지어 약간의 감독은 조립 결함, 신호 저하 또는 제품 고장으로 이어질 수 있습니다. 구성 요소 배치에서 솔더 페이스트 응용 프로그램에 이르기까지 PCB 설계의 모든 측면은 원활한 생산 및 최적의 성능을 보장하기 위해 SMT 기능과 일치해야합니다.

이 안내서는 SMT 제조의 일반적인 PCB 설계 문제를 식별하고 실행 가능한 솔루션을 제공하며 중요한 SMT 요구 사항을 설명합니다. 소비자 전자 장치, 자동차 시스템 또는 산업 장비를 위해 설계하든 이러한 원칙을 이해하면 재 작업, 비용 절감 및 제품 품질 향상이 줄어 듭니다.

SMT 제조의 일반적인 PCB 설계 문제
숙련 된 디자이너조차도 SMT 용 PCB를 최적화 할 때 도전에 직면합니다. 다음은 가장 빈번한 문제와 근본 원인입니다.
1. 부적절한 구성 요소 간격
문제 : 구성 요소가 너무 가깝게 배치되었습니다 (가장자리 사이에 0.2mm 미만) 원인이 발생합니다.
A. 리플 로우 중에 브리징 (단락).
B. 자동 검사에서 (AOI 기계는 단단한 간격을 해결할 수 없습니다).
C. DAMAGE 재 작업 중 (하나의 구성 요소가 인접한 부품을 가열 할 위험).
근본 원인 : SMT 기계 공차 (일반적으로 픽 앤 플레이스 시스템의 경우 ± 0.05mm)가 내려다 보거나 제조 가능성보다 소형화 우선 순위.

2. 불쌍한 패드 디자인
문제 : 잘못된 패드 크기 또는 모양이 다음으로 이어집니다.
A. 불량 솔더 조인트 (굶주린 조인트) 또는 과도한 솔더 (솔더 볼).
B. 톰 스톤 (톰 스톤) (고르지 않은 솔더 흐름으로 인해 하나의 패드를 들어 올리는 0402 저항과 같은 작은 구성 요소).
C. 열전도도 (MOSFET과 같은 전력 성분에 중요).
근본 원인 : IPC-7351 표준 대신 일반 패드 템플릿을 사용하여 구성 요소 크기 및 유형에 따라 최적의 패드 치수를 정의합니다.

3. 일관되지 않은 스텐실 조리개
문제 : 불일치 스텐실 조리개 크기 (솔더 페이스트 적용에 사용)는 다음과 같습니다.
A.Solder 페이스트 볼륨 오류 (너무 적은 원인 건조 조인트, 너무 많은 원인 브리징).
B. 부족 페이스트 릴리스 (0.4mm BGA와 같은 미세 피치 구성 요소의 스텐실 막힘).
근본 원인 : 구성 요소 유형에 대한 스텐실 조리개 조정 실패 (예 : 저항 및 BGA에 대해 동일한 조리개 비율을 사용하여).

4. 부적절한 신속한 마크
문제 : 누락되거나 배치되지 않거나 제정지 (정렬 마커)가 다음으로 이어집니다.
A. Component oyalalment (특히 0.5mm 피치의 QFP와 같은 미세 피치 부품의 경우).
B. 스크랩 비율이 증가했습니다 (산업 데이터에 따라 대량 생산에서 최대 15%).
근본 원인 : 자동화 된 시스템에 대한 계층의 중요성을 과소 평가하는데, 이는 PCB 휘세 또는 패널 오정렬을 보상하기 위해이를 의존합니다.

5. 열 관리는 간과됩니다
문제 : SMT 설계에서 열 소산을 무시하면 다음과 같습니다.
솔더 관절 피로 (전압 조절기와 같은 고온 성분은 시간이 지남에 따라 솔더를 분해 함).
구성 요소 고장 (ICS의 정격 작동 온도 초과).
근본 원인 : 전력 구성 요소 하에서 열 바이아를 포함하지 않거나 전력 평면에서 불충분 한 구리 중량 (2oz 미만)을 사용하지 않습니다.

6. 신호 무결성 실패
문제 : 고속 신호 (≥100MHz)가 발생합니다.
인접한 흔적 사이 (3 배 미만의 트레이스 폭을 간격) 사이의 A.crosstalk.
B. 임피던스 불일치 (일관되지 않은 추적 폭 또는 유전체 두께).
근본 원인 : SMT PCB를 저주파 설계로 취급합니다. 여기서 신호 무결성은 설계 우선 순위보다는 나중에 생각합니다.

주요 SMT 설계 문제에 대한 솔루션
이러한 문제를 해결하려면 설계 규율, 표준 준수 및 제조업체와의 협력이 조합되어야합니다. 입증 된 솔루션은 다음과 같습니다.
1. 구성 요소 간격을 최적화합니다
A. IPC-2221 지침 : 수동 구성 요소 (0402 이상)와 활성 성분 (예 : ICS) 사이에 0.2mm의 최소 간격을 유지합니다. 미세 피치 BGA (≤0.8mm 피치)의 경우 브리징을 피하기 위해 간격을 0.4mm로 증가시킵니다.
B. Account for Machine 공차 : 픽 앤 플레이스 머신 오류를 수용하기 위해 간격 계산에 0.1mm 버퍼를 추가하십시오.
C. 사용 설계 규칙 : PCB 디자인 소프트웨어 (Altium, Kicad)를 구성하여 간격 위반을 실시간으로 플래그합니다.

2. IPC-7351로 패드 디자인을 표준화하십시오
IPC-7351은 정확한 치수를 가진 3 개의 PAD 클래스 (클래스 1 : 소비자; 클래스 2 : 산업 3 : 항공 우주/의료)를 정의합니다. 예를 들어:

A.Avoid Custom Pads : 일반적인 "한 크기에 맞는"패드는 결함 률을 20-30%증가시킵니다.
B. 미세 피치 IC 용 텔레이퍼 패드 : 0.5mm ≤ 피치를 가진 QFP의 경우 테이퍼 패드는 브리징 위험을 줄이기 위해 폭의 70%로 끝납니다.

3. 스텐실 조리개 최적화
스텐실 조리개 크기는 솔더 페이스트 볼륨에 직접 영향을 미칩니다. 이 규칙을 사용하십시오 :
A.Passive 구성 요소 (0402–1206) : 조리개 = 패드 폭의 80–90% (예 : 0402 패드 너비 0.30mm → 조리개 0.24–0.27mm).
B.BGAS (0.8mm 피치) : 조리개 직경 = PAD 직경의 60–70% (예 : 0.45mm 패드 → 0.27–0.31mm 조리개).
C.QFNS : "DogBone"조리개를 사용하여 구성 요소 본체 아래 납땜 위킹을 방지합니다.
D. 스텐실 두께 : 대부분의 구성 요소의 경우 0.12mm; 페이스트 부피를 줄이기 위해 미세 피치 (≤0.5mm) 부품의 경우 0.08mm.

4. 효과적인 기준 마크를 구현하십시오
A. 배치 : 최적의 삼각 측량을 위해 PCB (각 모서리에 1 개, 대각선) 당 3 개의 기준을 추가하십시오. 패널의 경우 2–3 패널 수준의 Fiducials를 추가하십시오.
B. design : 가시성을 보장하기 위해 0.5mm 클리어런스 (솔더 마스크 또는 실크 스크린 없음)와 함께 1.0–1.5mm 직경의 고형 구리 원을 사용하십시오.
C. MATERIAL : AOI 카메라를 혼동 할 수 있으므로 Fiducials의 반사 마감 (예 : Enig)을 피하십시오. Hasl 또는 OSP가 바람직합니다.

5. 열 관리를 향상시킵니다
A.thermal vias : 4-6 VIA (0.3mm 직경)를 전력 성분 (예 : 전압 조절기, LED) 아래에 내부지면 평면으로 전달합니다.
B.copper 중량 : 구성 요소를 소산하기 위해 파워 평면에서 2oz (70μm) 구리를 사용하여> 1W; > 5W에 대한 4oz (140μm).
C. 신생 패드 : 다중 VIA를 통해 노출 된 열 패드 (예 : QFNS)를 넓은 구리 영역에 연결하여 정션 대 반면 열 저항을 40-60%줄입니다.

6. 신호 무결성을 향상시킵니다
A. 제어 임피던스 : 미적 폭과 유전체 두께를 조정하기 위해 계산기 (예 : 토성 PCB 툴킷)를 사용하여 50Ω (단일 엔드) 또는 100Ω (차동)의 설계 트레이스.
B. 트레이스 간격 : 고속 신호 (≥100MHz)의 간격 ≥3 배의 트레이스 폭을 유지하여 크로스 토크를 줄입니다.
C. Groun

PCB 설계에 대한 필수 SMT 요구 사항
이러한 요구 사항을 충족시켜 SMT 제조 공정 및 장비와의 호환성을 보장합니다.
1. PCB 재료 및 두께
A.Substrate : 대부분의 응용 분야에 TG ≥150 ° C와 함께 FR-4를 사용하십시오. 자동차/산업용 사용의 경우 High-TG FR-4 (TG ≥170 ° C) (최대 260 ° C의 리플 로우 온도를 견딜 수 있음).
B. 두께 : 표준 PCB의 경우 0.8–1.6mm; 필요하지 않은 한 <0.6mm를 피하십시오 (반사시 중에 휘어지는 경향이 있음).
C.warpage 공차 : 적절한 스텐실 접촉 및 구성 요소 배치를 보장하기 위해 ≤0.75% (IPC-A-600 Class 2).

2. 땜납 마스크 및 실크 스크린
A.Solder 마스크 : 솔더 마스크 접착 문제를 방지하기 위해 패드에서 0.05mm 클리어런스를 사용하여 액체 광 광면상 가능한 솔더 마스크 (LPI)를 사용하십시오.
B. Silkscreen : 납땜 중 오염을 피하기 위해 Silkscreen을 패드에서 0.1mm 떨어진 곳에 두지 마십시오. 흰색 또는 검은 색 잉크 (AOI의 경우 가장 높은 대비)를 사용하십시오.

3. 표면 마감
응용 프로그램에 따라 마감을 선택합니다.

4. 패널 화
A. 패널 크기 : 표준 패널 크기 (예 : 18”x24”)를 사용하여 SMT 기계 효율을 극대화합니다.
B.Breakaway 탭 : PCBS가 2-3 탭 (2 ~ 3mm)으로 연결하여 처리 중 안정성을 보장합니다. 쉬운 데 파넬 링을 위해 V- 스코어 (30–50% 깊이)를 사용하십시오.
C. TOOLING 구멍 : SMT 기계의 정렬을 위해 패널 모서리에 4-6 툴링 홀 (3.175mm 직경)을 추가하십시오.

SMT의 제조 가능성 설계 (DFM) 검사
PCB 제조업체가 제공하는 DFM 검토는 생산 전에 문제를 일으킨다. 주요 점검에는 다음이 포함됩니다.
1. 컴퓨터 라이브러리 검증 : 발자국이 IPC-7351 표준과 일치하는지 확인합니다.
2. 고체 페이스트 시뮬레이션 : 소프트웨어 (예 : Valor NPI)를 사용하여 브리징 또는 불충분 한 페이스트를 예측합니다.
3. 신경 프로파일 호환성 : PCB 재료를 검증하여 리플 로우 온도를 견딜 수 있습니다 (무연 솔더의 경우 피크 245–260 ° C).
4. 테스트 포인트 접근성 : 테스트 포인트 (0.8–1.2mm 직경)가 프로브 액세스를 위해 구성 요소에서 0.5mm 이상인지 확인하십시오.

FAQ
Q : SMT 결함의 가장 일반적인 원인은 무엇입니까?
A : 패드 디자인 불량 (IPC 연구에 따라 결함의 35%), 부적절한 솔더 페이스트 부피 (25%).

Q : 납 솔더를 사용하여 SMT 설계를 단순화 할 수 있습니까?
A : 대부분의 시장에서 ROHS에는 무연 솔더 (예 : SAC305)가 필요하지만 납 솔더 (SN63/PB37)는 리플 로우 온도가 낮습니다 (217 ° C vs. 217–227 ° C). 그러나 납 솔더는 브리징이나 묘비와 같은 설계 문제를 제거하지 않습니다.

Q : PCB Warpage는 SMT 어셈블리에 어떤 영향을 미칩니 까?
A : warpage> 0.75%는 불균일 한 솔더 페이스트 응용 프로그램 및 구성 요소 오정렬을 유발하여 결함이 20-40% 증가합니다.

Q : SMT PCB의 최소 트레이스 너비는 얼마입니까?
A : 대부분의 응용 분야의 경우 0.1mm (4mil); 고급 제조 기능을 갖춘 미세 피치 설계의 경우 0.075mm (3mil).

Q : 5W 구성 요소에 몇 개의 열 비아가 필요합니까?
A : 2oz 구리 접지 평면에 연결된 1mm 간격을 갖는 8-10 VIA (0.3mm 직경). 일반적으로 5W 소산에 충분합니다.

결론
SMT PCB 설계는 정밀, 표준 준수 및 설계자와 제조업체 간의 협력을 요구합니다. 구성 요소 간격, 패드 설계 및 열 관리와 같은 일반적인 문제를 해결하고 필수 SMT 요구 사항을 충족함으로써 결함, 비용을 낮추고 시장에 시간을 가속화 할 수 있습니다.
기억하십시오 : 잘 설계된 SMT PCB는 기능에 관한 것이 아니라 제조 가능성에 관한 것입니다. DFM 검토 및 IPC 표준에 따른 투자 시간은 더 높은 수율과보다 신뢰할 수있는 제품으로 배당금을 지불합니다.