5 נקודות חשובות בתכנון מעגל אלקטרוני לייצוריות

בשלב תכנון ועריכת הכרטיס האלקטרוני יש להתחשב בשיקולי ייצור והרכבת המעגל. תכנון נכון ליצוריות מקצר את זמן היציאה לשוק (Time-To-Market), מוזיל את עלות הייצור ובסופו של יום מניב רווחים טובים יותר לחברה. המהנדסים ועורכי המעגלים המודפסים חייבים להיות ערים ולהכיר היטב את מגבלות המכונות העדכניות ברצפת הייצור ולאור זאת, לתכנן את הכרטיס האלקטרוני. סינרגיה בין החברה המבצעת את עריכת הכרטיס האלקטרוני ובין החברה המייצרת ומרכיבה אותו תבטיח ללקוח שהדבר הנכון יבוצע בצורה הנכונה בפעם הראשונה.

ארבל ניסן, סמנכ"ל שיווק ומכירות קבוצת ניסטק 

תכנון ועריכת מעגל אלקטרוני בצורה נכונה ליצוריות, מקצרת את זמן היציאה לשוק, מפחיתה את עלויות הייצור והרכבת המעגל ומשפרת את איכות ואמינות המוצר האלקטרוני.

נשאלת השאלה – איך עושים זאת?  הכרת תהליכי הייצור וההרכבה העדכניים של המעגל המודפס ויישום פעולות בתהליך העריכה לאופטימיזציה מלאה בין דרישות התכנון והייצור, יאפשרו תכנון נכון לייצוריות.

מומחיות המהנדס ועורך המעגלים בקשר לתכנון המעגל לייצור נמדדת ביכולתם להכיר היטב ולעומק את תהליכי הייצור, מתוך כך לזהות את הנקודות הקריטיות של הכרטיס בשלבים אלו ולאחר מכן ליישם פעולות עריכה מתאימות אשר יאפשרו ייצור יעיל, מהיר ואיכותי.

על עורך המעגל להכיר ולהבין היטב את טכנולוגיות ייצור והרכבת הכרטיס העדכניות ביותר וכן את יכולות ומגבלות המכונות האוטומטיות בקו הייצור. זאת ועוד, מומלץ לשלב את אנשי הייצור וההרכבה כבר בתחילת עריכת הכרטיס כדי לוודא שהכרטיס יהיה מוכן בצורה האופטימאלית לרצפת הייצור.

במאמר זה אסקור חמש נקודות של תכנון נכון של כרטיס אלקטרוני לייצוריות:

1. גודל הכרטיס

חומרי הגלם לייצור הכרטיס האלקטרוני מגיעים בתצורה של פלטות בגדלים קבועים. יצרן ה-PCB חותך את חומר הגלם בהתאם למידות הכרטיס המיועד לייצור. ככל שהיצרן מנצל טוב יותר את חומר הגלם, כך עלות הכרטיס תהיה נמוכה יותר.

לדוגמא, מרבית היצרנים עובדים עם חומר גלם במידות של "18 על "24.

 ניצול אופטימלי של חומר הגלם מאפשר להוזיל את עלויות הייצור

מדגימה איך שינוי של "0.2 באורך הכרטיס מביא לניצול אופטימלי של חומר הגלם ובעקבות כך להוזלת ייצור הכרטיס במידה ניכרת. מומלץ להתייעץ עם יצרן ה-PCB כדי לבדוק באילו מידות חומרי גלם הוא משתמש וכיצד ניתן לנצל בצורה מקסימאלית מידות אלו.

בנקודה זו יש גם לציין כי למכונות האוטומטיות המשמשות לייצור והרכבת המעגל קיימות מגבלות פיזיות של מידות כרטיס איתן הן יכולות להתמודד. לדוגמא מכונות הרכבה בטכנולוגית SMT, יכולות להרכיב כרטיס באורך של בין 60-508 מ"מ ורוחב בין 60-450 מ"מ.

2. תכנון פנלזיציה

תכנון פנליזציה יכול להוזיל משמעותית את תהליך ייצור הכרטיס האלקטרוני. תכנון הפנל מאפשר מחד לשמור על מידת הכרטיס הגנרי ובה בעת, לנצל בצורה אופטימלית את פס הייצור. ניתן לתכנן פנל המכיל מספר כרטיסים קטנים. בשיטה זו הפנל יורכב בקו הייצור ולאחר מכן יפורקו הכרטיסים ממנו להמשך העבודה. משך הזמן שהמכונות יעבדו על כרטיס בודד כאשר הוא נמצא בפנל יהא קצר משמעותית מאשר הוא מופיע ככרטיס בודד, גם אם ניקח בחשבון את משך פירוק הכרטיס מהפנל לאחר ההרכבה כדי להחזירו למצבו הגנרי. פעולה זו מאפשרת לנצל בצורה טובה יותר את מכונות הייצור ובכך להוזיל את עלות העבודה. החיסכון הוא משמעותי יותר כאשר מדובר על הרכבות בסדרות גדולות. העבודה עם פנל של מספר כרטיסים מייעלת גם את העבודה הידנית על הכרטיס, כגון ההלחמות ידניות, וכן את הבדיקות החשמליות כך שבמחזור בדיקות בודד של פנל נבדקים מספר כרטיסים. תכנון פנל בצורה נכונה חייב להביא בחשבון מצד אחד את חוזק ויציבות הפנל במהלך שינועו בקווי ההרכבה ומצד שני יש לתכנן את הפנל כך שהפרדת הכרטיסים ממנו תתבצע בקלות וביעילות תוך שמירה על איכות מקסימלית. ההפרדה בין הכרטיסים על פני הפנל צריכה להתבצע בצורה הנוחה והמהירה ביותר.

ישנן שתי שיטות מרכזיות לכך:  א. V-CUT  ב. Break-Away Tabs.

יש להכיר היטב את היתרונות והחסרונות של כל שיטה כדי לבחור בכל מקרה לגופו באיזו שיטה להשתמש. מומלץ לעיין בתקן IPC-2221 המפרט כיצד לתכנן את הפרמטרים של שתי השיטות.

באמצעות תוכנת Altium Designer באמצעות פקודת Place’ > ‘Embedded Board Array/Panelize ניתן להגדיר בקלות פנל המכיל מספר כרטיסונים בזויות שונות לטובת התאמה אופטימלית ליצור.

3. מיקום רכיבים קריטיים

היבט חשוב ביותר בשלב התכנון אשר לו השלכות מהותיות על איכות המעגל בתהליך ההרכבה, הוא מיקום רכיבים קריטיים, כגון: BGA, QFN, LGA, Fine-Pitch, Mictor.

מפאת קוצר היריעה, אתייחס פה למיקום רכיב ה BGA  משני היבטי ייצור שונים:

א. איזון טרמי – רכיב ה- BGA אוגר בתוכו חום רב במהלך ההלחמה ולכן חשוב לוודא כי קיים איזון טרמודינמי על פני הכרטיס האלקטרוני. התפשטות א-סימטרית של חום יכולה לגרום לעיוותים בכרטיס, פגיעה ברכיבים רגישים ותוצאות הלחמה שאינם איכותיות. במעגלים בעלי BGA בודד מומלץ להרכיבו במרכז כדי לאפשר שחרור חום אופטימלי ואחיד על פני המעגל. בכרטיסים בעלי מספר רכיבי BGA מומלץ למקמם בנקודות ייחוס סימטריות על פני המעגל. במעגלים המורכבים בתהליך תואם LEAD FREE החום גבוה יותר, ולכן משמעות האיזון הטרמי קרדינלית להרכבת המעגל. בנוסף לא מומלץ למקם רכיבי BGA בשפת הכרטיס מאחר ואזורים אלו נוטים להיות קרים יותר במהלך ההלחמה. כמו-כן, סמוך לרכיבי TH החוזק המכני של הכרטיס נמוך יותר ולכן לא מומלץ למקם באזור רכיבי BGA.

במיקום רכיב BGA יש להתחשב בהיבטי האיזון התרמי במעגל בתהליך ההרכבה

ב. REOWRK – כדאי להשאיר שטח נקי ללא רכיבים של 3 מ"מ מסביב לרכיב ה- BGA כדי לאפשר פירוק אופטימלי בביצוע פעולת REWORK. במכונות REWORK הפועלות ע"י קרן אינפרא אדום ניתן לשמור על מרחק של 1 מ"מ בלבד משפת הרכיב.

4. תכנון לבדיקתיות – Design for Inspection

התחום של תכנון לבדיקתיות מהווה גורם הנדסי חשוב בתכנון מעגלים מודפסים. המטרה היא לתכנן את הכרטיס כך שהבדיקה הוויזואלית בקו ההרכבה תהיה יעילה ומהירה. בנקודה זו אתייחס לשתי מכונות בדיקה AOI ו- XRAY.

a. מכונת ה- (AOI (Automatic Optical Inspection מבצעת בדיקה ויזואלית אוטומטית של הכרטיס. המכונה מצלמת את הרכיבים על הכרטיס וע"י כך מאתרת תקלות. כדי שבדיקה זו תהיה יעילה ואפקטיבית נדרש להקפיד על סימון עקבי ואחיד על המעגל, לדוג' גופן זהה עובי וצורה של ה Silk, צבע כרטיס, רישומים שונים וכן ציון קוטביות רכיבים בצורה ברורה. סימון לא עקבי גורם לזמן הבדיקה להתארך, עלול לגרום לבדיקה לא אמינה ומגדיל שלא לצורך את בסיס הנתונים במכונת ה- AOI. כמו-כן כדי לאפשר צילום מיטבי של הרכיבים בתהליך הבדיקה, מומלץ לשמור על שטח פתוח בעל זווית פריסה של °35-65 מכל רכיב כדי לאפשר למצלמות ה-AOI לאתר במהירות ובקלות את הרכיבים.

b. מכונת ה- XRAY (רנטגן) מבצעת בדיקה לכרטיס האלקטרוני. המכונה מיועדת בעיקר לצילום רכיבי BGA, QFN, LGA. בדיקה זו לעיתים מבוצעת בצורה אוטומטית, בעיקר בכרטיסים מרובי רכיבים מסוגים אלו. על-מנת שבדיקה זו תתבצע בצורה מיטבית יש לוודא כי נקודות הייחוס (fiducial) יהיו ברורות וקלות לאיתור ע"י המכונה. כיוון שקרן הרנטגן חודרת לכל עובי הכרטיס, יש לשמור על אזור סטרילי מרכיבים משני צדדי הכרטיס עבור נקודות הייחוס. כמו-כן, יש לוודא כי כאשר במקרים בהם מוכרח למקם רכיבי מסוגים אלו משני צדדי הכרטיס, לא למקמם אחד מתחת לשני, דבר שיקשה על בדיקת טיב ההלחמה במכונת ה-XRAY.

כדי לאפשר צילום  XRAY(רנטגן) מיטבי לכרטיס יש לוודא כי אין חפיפה בציר ה Z בין שני רכיבי BGA

Example: CCGA back to back with PBGA
Source: Phoenixlx-ray Systems

5. עובי כרטיס

פרמטר נוסף שראוי לבחון אשר הוא בעל השלכות על ייצור הכרטיס הוא העובי. עובי הכרטיס המתאים ביותר לעבודה בתהליך ההרכבה הוא 1.6mm וראוי עד כמה שניתן לעבוד במידה זו.

• בכרטיסים אלקטרונים בעלי עובי של 1mm ומטה, הדבר מצריך טיפול מיוחד. ככל שהכרטיס דק יותר כך קשיחותו נמוכה יותר ויציבותו במהלך ההרכבה נפגמת. בכרטיסים דקים נדרש לתכנן התקן תמיכה שיסייע בתהליך ההרכבה. כאשר קיימים רכיבים בצד אחד בלבד, ניתן להוסיף משטח תמיכה במידות הכרטיס אשר יוצמד לגב הכרטיס וישמור על יציבותו. במקרה והרכיבים ממוקמים על הכרטיס משני צידיו, יש לתכנן התקן תמיכה מיוחד ייעודי עבור הכרטיס אשר יתמוך בכרטיס במהלך שינועו בקווי הייצור בשני צדדיו. התקן זה,  מייקר משמעותית את עלות הייצור (במנות ייצור גדולות העלות השולית תהיה זניחה יותר) וכן מאריך את זמן האספקה, לכן בכרטיסים דקים עדיף למקם רכיבים בצד אחד בלבד.
• בכרטיסים אלקטרונים בעלי עובי של 2mm ומעלה מאלצים טמפרטורה גבוהה במהלך ההרכבה בתנור ה REFLOW. ככל שהכרטיס עבה יותר כך נדרש להגדיר טמפרטורה גבוהה יותר בתנור ההלחמה. טמפ' הלחמה גבוהות יכולות לגרום נזקים לרכיבים רגישים, למצע המעגל ולפיזור החום בשטח הכרטיס. במקרים אלו, התייעצות עם טכנולוג ההרכבה במפעל הינה בעלת משנה חשיבות.

בנושא זה יש לשים לב להגדיר את סדר השכבות של עובי המעגל (Stack-Up) עם החומרים השונים וסוגי השכבות. בתוכנת Altium Designer ישנו כלי מיוחד לנושא הנקרא (Layer Stack Manager (LSM אשר מופעל באמצעות פקודת Design » Layer Stack Manager ומאפשר הגדרת סדר השכבות במקביל לעריכת המעגל בצורה נוחה וידידותית.

לסיכום, בשלב תכנון ועריכת הכרטיס האלקטרוני יש להתחשב בשיקולי ייצור והרכבת המעגל. תכנון נכון ליצוריות מקצר את זמן היציאה לשוק (Time-To-Market), מוזיל את עלות הייצור ובסופו של יום מניב רווחים טובים יותר לחברה. המהנדסים ועורכי המעגלים המודפסים חייבים להיות ערים ולהכיר היטב את מגבלות המכונות העדכניות ברצפת הייצור ולאור זאת, לתכנן את הכרטיס האלקטרוני. סינרגיה בין החברה המבצעת את עריכת הכרטיס האלקטרוני ובין החברה המייצרת ומרכיבה אותו תבטיח ללקוח שהדבר הנכון יבוצע בצורה הנכונה בפעם הראשונה.

השימוש בפלטפורמת הענן החדשה של Altium 365 מאפשר שיתוף פרויקטים וקבצים בין עובדי החברה, לשכת העריכה ויצרן המעגלים ומאפשר לכולם לעבוד בזמן אמת ומכל מקום על הפרויקט. כל אלו הם חלק משיפור תהליך העבודה וחיסכון בזמן הפיתוח.

קבוצת ניסטק מספקת שירותי עריכת מעגלים מודפסים והרכבת מעגלים אלקטרוניים. החברה פועלת משנת 1985 ומעסיקה כ-900 עובדים בארבעה מפעלי ייצור בישראל. כחלק מהרצון לגדול ולחדור לשווקים חדשים החליטה החברה לאמץ את פתרון  Altium Designer ככלי נוסף ועל ידי כך לתת מענה לפלח שוק נוסף של לקוחות Altium שהולך וגדל בשנים האחרונות בישראל.

תודה לכותב: ארבל ניסן, סמנכ"ל שיווק ומכירות בקבוצת ניסטק

תגיות: ALTIUM | Altium 365 | NISTEC | PCB