ในฐานะที่เป็นตัวรองรับที่สำคัญของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิดแผงวงจรพิมพ์ให้การรองรับทางกลที่ยอดเยี่ยมสำหรับชิ้นส่วนต่าง ๆ และเชื่อมต่อชิ้นส่วนเหล่านั้นผ่านลายทองแดงที่มีความหนาต่างกันและแผ่นรองบัดกรีที่มีขนาดต่างกันตามวงจรลอจิก เพื่อให้บรรลุสมรรถนะทางไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์ เนื่องจากผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ผลิตด้วยเทคโนโลยี SMT คุณภาพของการออกแบบ PCB จึงเกี่ยวข้องโดยตรงทั้งกับการทำงานตามปกติของสมรรถนะทางไฟฟ้าและกับการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพของการผลิตการประกอบแผงวงจรพิมพ์ด้วยอิทธิพลของเครื่องหมาย Fiducial Mark ต่อคุณภาพการพิมพ์ บทความนี้กล่าวถึงอิทธิพลที่สำคัญของความสามารถในการผลิต PCB ในด้านการผลิตผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ด้วยวิธีจากจุดสู่พื้นที่
หน้าที่ของเครื่องหมายอ้างอิง
ในกระบวนการผลิตจำนวนมากของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ด้วยวิธีการใช้ชิ้นส่วน SMT แผงวงจรพิมพ์ (PCB) แต่ละล็อตที่ใช้ในการประกอบต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของการใช้บอร์ดที่ถูกต้องและตำแหน่งที่แม่นยำ การปฏิบัติงานด้วยมือโดยไม่มีการออกแบบพิเศษอาจทำให้ประสิทธิภาพและความแม่นยำต่ำ ซึ่งอาจนำไปสู่ข้อบกพร่องของผลิตภัณฑ์ได้
ตำแหน่งที่แม่นยำของบอร์ดโดยทั่วไปสามารถรับประกันได้ผ่านรูสำหรับจัดตำแหน่งหรือ Fiducial Marks เนื่องจากการออกแบบรูสำหรับจัดตำแหน่งขึ้นอยู่กับยี่ห้อและหมายเลขรุ่นของอุปกรณ์ประกอบแผงวงจรพิมพ์รูยึดตำแหน่งไม่ได้ถูกวางไว้บนแต่ละแผ่น PCB ในขณะที่ Fiducial Mark เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแต่ละแผ่น PCB
เครื่องหมาย Fiducial เป็นสัญลักษณ์กำหนดตำแหน่งแบบออปติคัลพิเศษ ระหว่างกระบวนการผลิต อุปกรณ์ประกอบจะฉายแสงไปยังเครื่องหมาย Fiducial เพื่อสร้างพิกัดภาพ จากนั้นจึงนำไปเปรียบเทียบกับข้อมูลมาตรฐานที่ตั้งค่าไว้ล่วงหน้าในระบบ หากพิกัดสอดคล้องกับข้อมูลมาตรฐานหรือมีความคลาดเคลื่อนอยู่ในช่วงที่อนุญาต เครื่องจักรจะตัดสินว่าบอร์ด PCB ถูกต้อง และจะส่งบอร์ดเข้าไปในเครื่องเพื่อดำเนินกระบวนการต่าง ๆ เช่น การพิมพ์ การติดตั้งชิ้นส่วน และการบัดกรี แต่หากไม่เป็นไปตามนั้น บอร์ด PCB จะถูกตัดสินว่าไม่ถูกต้อง และการส่งบอร์ดจะถูกหยุดชั่วคราวพร้อมส่งสัญญาณเตือน
ดังนั้น เครื่องหมายอ้างอิง (Fiducial Mark) จึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการรับประกันความถูกต้องของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม หลายนักออกแบบแผงวงจรพิมพ์บางครั้งการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ทำให้ไม่สามารถถูกเครื่องจักรประกอบชิ้นส่วนตรวจจับได้ ส่งผลให้ไม่สามารถดำเนินการผลิตตามปกติในขั้นตอนถัดไปได้ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตระหนักถึงข้อกำหนดและข้อบังคับของ Fiducial Mark ในกระบวนการออกแบบ PCB
ข้อกำหนดในการออกแบบเครื่องหมายอ้างอิง
• องค์ประกอบของเครื่องหมายอ้างอิงและพารามิเตอร์การออกแบบ
Fiducial Mark แบบบูรณาการประกอบด้วยมาร์กและระยะเคลียร์แรนซ์ ดังแสดงในรูปที่ 1 ลวดลายทั่วไปของ Fiducial Mark แสดงไว้ในรูปที่ 2
โดยทั่วไปแล้ว วงกลมทึบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. (±0.2 มม.) เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ Fiducial Mark ซึ่งทำจากทองแดงเปลือย ชุบดีบุก หรือชุบนิกเกิล และป้องกันด้วยสารเคลือบใสที่ไม่เป็นสนิม เพื่อให้เครื่องประกอบแผงวงจรสามารถจดจำ Fiducial Mark ได้ง่าย สีของ Fiducial Mark ควรแตกต่างอย่างชัดเจนจากบริเวณโดยรอบ นอกจากนี้ ควรกำหนดระยะเคลียร์รันซ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าตัว Fiducial Mark 1 มม. ไว้รอบ ๆ โดยทั่วไป รัศมีของเคลียร์รันซ์ต้องไม่น้อยกว่า 2R (R หมายถึงรัศมีของ Fiducial Mark) และเมื่อรัศมีของเคลียร์รันซ์เท่ากับ 3R ประสิทธิภาพการจดจำของอุปกรณ์จะดีที่สุด
• ข้อกำหนดการจัดวางเส้นทางของจุดอ้างอิง (Fiducial Marks)
ตามทฤษฎีที่ว่า จุดที่ไม่อยู่ในเส้นตรงเดียวกัน 3 จุดสามารถกำหนดระนาบได้ จึงควรวางเครื่องหมายอ้างอิง (Fiducial Marks) จำนวน 3 จุดบนแผ่น PCB ในรูปแบบตัว “L” ดังแสดงในรูปที่ 3 หากพื้นที่บนบอร์ดมีจำกัดจนไม่สามารถวางเครื่องหมายอ้างอิงได้ครบ 3 จุด อย่างน้อยควรวางเครื่องหมายอ้างอิงเป็นคู่บนบอร์ดตามแนวเส้นทแยงมุม ดังแสดงในรูปที่ 4
ไม่ควรวางเครื่องหมายอ้างอิงตามแนวทแยงให้สมมาตรกันโดยสมบูรณ์ มิฉะนั้นอุปกรณ์จะไม่สามารถตรวจพบข้อผิดพลาดได้เมื่อแผ่นบอร์ดไม่ถูกต้อง ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องจากแผ่นบอร์ดที่ไม่แม่นยำหรือการติดตั้งที่ไม่ถูกต้อง สำหรับชิ้นส่วนที่มีข้อกำหนดพิเศษและต้องการการจัดวางที่แม่นยำ สามารถออกแบบเครื่องหมายอ้างอิงเฉพาะจุดเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการติดตั้งได้
นอกจากนี้ ระยะห่างระหว่าง Fiducial Marks กับขอบ PCB จะต้องมากกว่าข้อกำหนดระยะห่างขั้นต่ำที่ถูกจำกัดโดยอุปกรณ์ SMT เพื่อให้ Fiducial Marks อยู่ภายในแผ่น PCB แทนที่จะอยู่ที่ขอบบอร์ด และเพื่อตอบสนองข้อกำหนดระยะห่างของ Fiducial Mark ขั้นต่ำ นอกจากนี้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการจดจำของเครื่องพิมพ์และเครื่องจัดวางชิ้นส่วน ห้ามกำหนดลายวงจร ซิลค์สกรีน แพดบัดกรี หรือร่อง V-Cut ไว้ภายในระยะห่างรอบ Fiducial Mark และระยะห่างระหว่างเขตระยะห่างดังกล่าวกับจุดโลหะอื่น ๆ (เช่น จุดทดสอบ) ที่มีลักษณะคล้ายกันจะต้องมีอย่างน้อย 5.0 มม.
• ข้อกำหนดการผลิตของเครื่องหมายอ้างอิง
ในกระบวนการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์เปล่า (Bare Board PCB)การเปลี่ยนแปลงขนาดจากเครื่องหมายอ้างอิง (Fiducial Marks) ต้องไม่เกิน 25μm หากการเปลี่ยนแปลงขนาดมากเกินไป ค่าความคลาดเคลื่อนของข้อมูลที่ได้จากภาพคอมพิวเตอร์จะเกินช่วงการเปลี่ยนแปลงของค่ามาตรฐาน ส่งผลให้ทั้งเครื่องป้อนแผ่นบอร์ดและระบบสัญญาณเตือนถูกกระทบ และประสิทธิภาพการผลิตจะลดลง
ความเรียบของพื้นผิวของ Fiducial Marks ควรถูกควบคุมให้อยู่ภายใน 15μm และต้องมีพื้นหลังด้านในแบบเดียวกัน มิฉะนั้น ระดับความเรียบที่ต่ำอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการจดจำของอุปกรณ์ หรืออาจทำให้อุปกรณ์ไม่สามารถทำงานได้เลย
เครื่องหมาย Fiducial ทั้งหมดบนแผ่น PCB ที่มีหมายเลขบอร์ดเดียวกันจะต้องมีขนาดและรูปร่างเหมือนกันทั้งหมด ขอแนะนำให้ทำเครื่องหมาย Fiducial ทั้งหมดเป็นวงกลมทึบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. จะได้ประสิทธิภาพดีที่สุดเมื่อมีความเปรียบต่างสูงระหว่างเครื่องหมาย Fiducial กับวัสดุฐานของแผ่น PCB นอกจากนี้ เครื่องหมาย Fiducial ควรถูกแยกออกจากฟอยล์ทองแดงบนแผ่นที่เป็นฟอยล์ทองแดง
การวิเคราะห์กรณี
เพื่อให้สามารถอธิบายได้อย่างเข้าใจง่าย aต้นแบบ PCBด้วยขนาด 50 มม. x 30 มม. ถูกเขียนด้วยซอฟต์แวร์ Protel โดยมีจุด Fiducial Marks วางตามแนวเส้นทแยงมุมดังแสดงในรูปที่ 5
สำหรับการออกแบบ Fiducial Marks ในรูปที่ 5 อุปกรณ์สามารถจดจำและเปรียบเทียบพารามิเตอร์ด้วยกล้องร่วมกับทิศทางการวางบอร์ดที่ถูกต้อง เพื่อให้มั่นใจว่างานพิมพ์ที่เครื่องพิมพ์ทำมีความถูกต้อง
อย่างไรก็ตาม เมื่อทิศทางการป้อนบอร์ดไม่ถูกต้อง เช่น ในสถานการณ์ที่แสดงในรูปที่ 6 ซึ่งต้นแบบถูกพลิกกลับ 180° อุปกรณ์จะยังคงยึดตามความถูกต้องของทิศทางการป้อนบอร์ดและตำแหน่งของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ปัจจุบัน ภายใต้เงื่อนไขนี้ งานพิมพ์ตามปกติจะถูกดำเนินการตามขั้นตอนที่กำหนดไว้
สิ่งนี้จะลดประสิทธิภาพการผลิตลงอย่างมาก ที่แย่ไปกว่านั้น เนื่องจากประสิทธิภาพของ PCBA ค่อนข้างสูง แผงวงจร PCB ที่มีปัญหาจำนวนมากจะถูกผลิตขึ้นก่อนที่การผลิตจะหยุดลงหลังจากเกิดแผงวงจร PCB ที่มีข้อบกพร่อง ในสถานการณ์เช่นนี้ เวลาและประสิทธิภาพในการผลิตจะลดลง และคุณภาพของผลิตภัณฑ์ก็จะได้รับผลกระทบด้วย
นอกจากตำแหน่งของ Fiducial Marks ที่ควรหลีกเลี่ยงความสมมาตรอย่างสมบูรณ์แล้ว ยังต้องให้ความสำคัญกับระยะห่างระหว่างขอบของ Fiducial Mark กับขอบบอร์ดด้วย โดยควรกำหนดระยะให้อยู่ในช่วง 3.5 มม. ถึง 5 มม. นอกจากนี้ ขนาดของ Fiducial Marks ควรมีขนาดปานกลาง ไม่ใหญ่หรือเล็กจนเกินไป สำหรับลวดลายแบบวงกลม เส้นผ่านศูนย์กลางควรถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง 1.0–3.0 มม. หากเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เกินไป อุปกรณ์จะทำการปรับตำแหน่งในบริเวณกว้าง ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนมากขึ้นและเกิดข้อบกพร่องในการพิมพ์ หากเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเกินไป อุปกรณ์อาจไม่สามารถตรวจจับได้ ส่งผลให้อุปกรณ์ปฏิเสธการโหลดบอร์ดหรือส่งสัญญาณเตือน
โดยสรุป แม้ว่าการออกแบบ Fiducial Marks จะค่อนข้างง่าย แต่ก็มักมีรายละเอียดบางอย่างที่ถูกมองข้าม หากออกแบบไม่ถูกต้อง ฟังก์ชันที่ Fiducial Marks ควรมีจะไม่สามารถใช้งานได้ และอาจทำให้เกิดปัญหาบางประการ นำไปสู่ความผิดพลาดในการพิมพ์และความล่าช้าในการผลิต ดังนั้น นักออกแบบวงจรจึงต้องมีความรู้เชิงทฤษฎีเกี่ยวกับการออกแบบวงจร รวมถึงข้อกำหนดของอุปกรณ์ประกอบต่อการผลิตแผ่น PCB และต้องคำนึงถึงข้อกำหนดทั้งหมดที่ระบุไว้จากทุกมุมมองของสายการผลิต เพื่อเพิ่มความสามารถในการผลิต ประสิทธิภาพการผลิต และความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของผลิตภัณฑ์
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•ข้อกำหนดการออกแบบแผงวงจร SMT ตอนที่สี่: มาร์ก
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบวงจรจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมที่เพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น
