طراحی فوتپرینت SMD چیست و چرا IPC-7351 مرجع آن است؟
طراحی فوتپرینت SMD یعنی تعیین اندازه، شکل و فاصلهٔ پدهای مسی که یک قطعهٔ نصب سطحی به آنها لحیم میشود؛ بهعلاوهٔ محوطهٔ خالی اطراف آن (courtyard) که برای قرارگیری قطعه و دسترسی نوزل ماشین و ابزار تعمیر رزرو میشود. مرجع اصلی این کار استاندارد IPC-7351 است که بهجای دادن یک جدول ثابت، ابعاد پد را از تلرانسهای خود قطعه محاسبه میکند و برای هر خانوادهٔ قطعه سه سطح چگالی ارائه میدهد: Most (سطح A)، Nominal (سطح B) و Least (سطح C).
یک نکته را از ابتدا روشن بگذاریم: فوتپرینت، الگوی پد (land pattern) و footprint در عمل یک چیزند. چیزی که تصمیم واقعی طراح است، انتخاب یکی از سه سطح چگالی برای همان بستهٔ فیزیکی است — چون یک قطعه فقط یک مجموعه ابعاد دارد، اما IPC-7351 برای آن سه الگوی پد ممکن میسازد. این انتخاب مستقیماً روی شکل فیلهٔ لحیم، قابلیت بازرسی، امکان تعمیر دستی و حتی تعداد لایههای برد اثر میگذارد.
IPC-7351 جانشین استاندارد قدیمی IPC-SM-782A شد. نسخهٔ B آن در ژوئن ۲۰۱۰ منتشر شد و خانوادههایی مثل DFN، قطعات فلَتلید (SODFL/SOTFL)، آرایهٔ مقاومتها و LGA را اضافه کرد؛ نسخهٔ C در سال ۲۰۱۵ جای آن را گرفت. اعداد این مقاله بر پایهٔ جداول منتشرشدهٔ IPC-7351B و راهنماهای فنی مونتاژکاران است؛ برای کار رسمی، متن استاندارد را از IPC تهیه کنید.
سه سطح چگالی: Most، Nominal، Least
سطوح چگالی درجهٔ کیفیت نیستند. هر سطح مجموعهای از اهداف فیلهٔ لحیم است که با مقادیر J بیان میشود: Jt برای نوک پد (toe)، Jh برای پاشنه (heel) و Js برای کنار (side). هرچه J بزرگتر، پد بزرگتر و فیلهٔ لحیم پُرتر و قابلبازرسیتر؛ هرچه کوچکتر، فوتپرینت جمعوجورتر و حاشیهٔ خطای کمتر.
جدول زیر اهداف IPC-7351B را برای دو خانوادهای که بیشتر بردهای معمولی را پوشش میدهند نشان میدهد (همه به میلیمتر):
| هدف فیله | Most (سطح A) | Nominal (سطح B) | Least (سطح C) |
|---|---|---|---|
| پای بالکبوتری، toe (Jt) | ۰٫۵۵ | ۰٫۳۵ | ۰٫۱۵ |
| پای بالکبوتری، heel (Jh) | ۰٫۴۵ | ۰٫۳۵ | ۰٫۲۵ |
| پای بالکبوتری، side (Js) | ۰٫۰۵ | ۰٫۰۳ | ۰٫۰۱ |
| چیپ ۱۶۰۸ و بزرگتر، toe (Jt) | ۰٫۵۵ | ۰٫۳۵ | ۰٫۱۵ |
| چیپ ۱۶۰۸ و بزرگتر، side (Js) | ۰٫۰۵ | ۰٫۰۰ | −۰٫۰۵ |
| حاشیهٔ courtyard در هر طرف | ۰٫۵۰ | ۰٫۲۵ | ۰٫۱۰ |
آن عدد منفی (Js = −0.05 در سطح Least) گمراهکننده است اما معنای سادهای دارد: قرار نیست پد را باریکتر از ترمینال قطعه بسازید. این مقدار منفی تلرانس ساختی را که فرمول جمع میزند خنثی میکند تا مسِ نهایی تقریباً هماندازهٔ خود ترمینال دربیاید. هر جا هدف منفی دیدید، حسابداری ریاضی است، نه دستور گرسنهدادن به مفصل لحیم.
هر سطح را کجا انتخاب کنیم؟
- Nominal (سطح B) پیشفرض تولید است. برای بردهای تجاری و صنعتی معمول، بدون دلیل مشخص برای انحراف، همان B را نگه دارید.
- Most (سطح A) برخلاف تصور رایج «گزینهٔ امن جهانی» نیست. بیرونزدگی بلند toe در این سطح بیشتر برای لحیم موج (wave solder) قطعات چیپی بیپایه، دسترسی هویه و ابزار تعمیر، و سختافزار با قابلیت اطمینان بالا طراحی شده است. روی بردی که فقط ریفلو میشود و تعمیر دستی ندارد، ۰٫۴ میلیمتر پد بلندتر تقریباً چیزی به استحکام مفصل اضافه نمیکند و فقط کانال مسیریابی را میخورد.
- Least (سطح C) را وقتی انتخاب کنید که مساحت برد واقعاً محدودیت طراحی است — برد فشرده، قطعات fine-pitch، پوشیدنیها. در عوض باید دقت مونتاژگر را تأیید کرده باشید، چون حاشیهٔ خطای قرارگیری و هدف کوچکتر فیله یعنی قضاوت سختتر برای AOI و مس کمتر برای جذب خطای placement.
یک عادت خوب: سطح چگالی را با کلاس عملکرد IPC جفت کنید و روی نقشهٔ ساخت و مونتاژ بنویسید. عبارتی مثل «الگوهای پد طبق IPC-7351، سطح چگالی B» یک خط است و در بازبینی DFM یک دسته کامل از بحثها را حذف میکند.
اندازهٔ پد چطور از اندازهٔ قطعه محاسبه میشود؟ (فرمولهای Z، G و X)
IPC-7351 یک الگوی پد دوطرفه را با سه عدد تعریف میکند: Z طول کلی از لبهٔ بیرونی دو پد، G فاصلهٔ لبههای داخلی دو پد، و X عرض پد. سه فرمول اصلی:
Zmax = Lmin + 2·Jt + √(CL² + F² + P²)
Gmin = Smax − 2·Jh − √(CS² + F² + P²)
Xmax = Wmin + 2·Js + √(CW² + F² + P²)
L طول کلی قطعه، S فاصلهٔ بین ترمینالها و W عرض پایه است؛ CL، CS و CW تلرانس همین ابعادند. F تلرانس ساخت برد و P تلرانس دستگاه قراردهی است. نکتهٔ کلیدی، ریشهٔ مجموع مربعات (RSS) است: تلرانسها بهجای جمع بدترین حالتها، به این شکل ترکیب میشوند و به همین دلیل الگوی IPC کوچکتر از الگویی است که دستی با جمع بدترین حالتها میسازید. خود IPC در مثالهایش F = 0.10 mm و P = 0.05 mm فرض میکند؛ اگر کارخانهٔ شما اچینگ دقیقتر یا ماشین دقیقتری دارد، این اعداد مال شماست.
یک SOIC-8 را با هم حساب کنیم. فرض کنید دیتاشیت فاصلهٔ پای ۵٫۰۰ میلیمتر (Smax) با تلرانس RSS برابر ۰٫۵۸، عرض پایه ۰٫۳۱ با تلرانس ۰٫۲۰ و Lmin برابر ۵٫۸۰ میدهد. در سطح Nominal، Jt = Jh = 0.35 و Js = 0.03:
- Z = 5.80 + 0.70 + √(0.40² + 0.10² + 0.05²) = 6.92 → گرد به شبکهٔ ۰٫۰۵: ۶٫۹۰ میلیمتر
- G = 5.00 − 0.70 − √(0.58² + 0.10² + 0.05²) = 3.71 → ۳٫۷۰ میلیمتر
- X = 0.31 + 0.06 + √(0.20² + 0.10² + 0.05²) = 0.60 → ۰٫۶۰ میلیمتر
طول هر پد = (Z − G) / 2 = ۱٫۶۰ میلیمتر و مرکز پد از مبدأ = (Z + G) / 4 = ۲٫۶۵ میلیمتر. شش خط حساب، و نتیجهای که در برابر هر سؤال DFM قابل دفاع است. یک بار این کار را دستی برای خانوادهٔ پرکاربردتان انجام دهید؛ بعد ماشینحساب کافی است، چون میدانید ماشینحساب چه میکند.
اندازهٔ پد در برابر اندازهٔ قطعه: تفاوتی که کتابخانهها خراب میکنند
رایجترین اشتباه، کپیکردن ابعاد مکانیکی دیتاشیت بهعنوان پد است. نقشهٔ مکانیکی دیتاشیت خودِ قطعه را نشان میدهد، نه الگوی پد پیشنهادی را. پد باید تلرانس ساخت قطعه، تلرانس ساخت برد و خطای قراردهی را هم ببیند — بههمین دلیل پد همیشه بزرگتر از ترمینال است، اما نه بهاندازهٔ جمعشدن بدترین حالتها.
سه تفاوت عملی دیگر:
- تلرانس فروشندگان مختلف فرق میکند. یک مقاومت چیپ 0603 بسته به سازنده تلرانس بستهای بین حدود ۰٫۰۵ تا ۰٫۲۵ میلیمتر دارد. اگر فرمولها را تحتاللفظی اجرا کنید، از دو فروشنده دو فوتپرینت متفاوت درمیآید. راه حل عملی کتابخانهدارها: الگو را از شلترین تلرانس فهرست فروشندگان تأییدشده بسازید، یا از ابعاد اسمی با اهداف فیلهٔ ثابت کار کنید. هر دو قابل دفاع است؛ قاطیکردن بیسروصدای این دو روش در یک کتابخانه نه.
- پد SMD در برابر NSMD. وقتی ابعاد مس مشخص شد، باید رابطهٔ ماسک لحیم با پد را تصمیم بگیرید. در پد NSMD بازشدگی ماسک حدود ۱۵۰ میکرون یا بیشتر از مس بزرگتر است و کل پد برای لحیمپذیری بیرون میماند؛ در SMD ماسک روی لبهٔ مس مینشیند و اندازهٔ مؤثر پد را بازشدگی ماسک تعیین میکند. SMD چسبندگی قویتری به لامینیت میدهد (در تست سقوط یک مونتاژگر حدود ۵۳٪ بهتر گزارش شده)، اما NSMD بهخاطر فیلهٔ دورپیچ و مفصل انعطافپذیرتر، پیشفرض بیشتر طراحیهای متراکم BGA و QFN است. این انتخاب را خانوادهبهخانواده انجام دهید، نه بهعنوان قانون سراسری کتابخانه.
- courtyard فقط DRC نیست. حاشیهٔ ۰٫۲۵ میلیمتری هر طرف در سطح Nominal باعث میشود ابعاد محوطهٔ یک چیپ 1608 دقیقاً روی شبکهٔ ۰٫۵ میلیمتری قرارگیری بنشیند و قطعات مثل هم بدون نقض DRC کنار هم چیده شوند. courtyard کوچک از DRC رد میشود اما برای نوزل pick-and-place یا دوربین بازرسی جا نمیگذارد.
اثر فوتپرینت بر کیفیت لحیم
اندازهٔ پد مستقیماً حجم خمیر، شکل فیله و رفتار قطعه در کوره را تعیین میکند. چند مکانیزم مشخص:
سنگقبری (tombstoning) در قطعات چیپ کوچک. در 0603 و کوچکتر، خیزشدن یک سر قطعه در ریفلو تقریباً همیشه مسئلهٔ تقارن پد است، نه خمیر یا پروفیل کوره. وقتی یک پد زودتر به نقطهٔ ذوب میرسد، کشش سطحی همان پد قطعه را سرپا میکشد. درمان آن در فوتپرینت است:
- دو پد کاملاً یکسان در اندازه، شکل و اتصال مسی — بدون استثنا برای راحتی مسیریابی.
- ریلیف حرارتی متقارن: تعداد و پهنای یکسان پرهها به صفحهٔ مس در هر دو پد، چون اتصال حرارتی نامتقارن سرعت گرمشدن دو پد را متفاوت میکند.
- ویا مستقیم زیر یا چسبیده به فقط یکی از پدها نباشد؛ ویا گرما را از آن پد میکشد و همان بیتعادلی را میسازد.
- خروج ترک از دو پد با هندسهٔ گرمایشی معادل.
رجیستری ماسک در پدهای خیلی کوچک. همپوشانی تنها ۰٫۰۱ میلیمتری ماسک روی پدی ۰٫۱۲ میلیمتری حدود ۱۷٪ از سطح لحیمپذیر همان پد را حذف میکند — کافی برای بههمخوردن تعادل یک مفصل 0201 یا 01005. اگر خطای رجیستری کارخانهٔ شما بیش از حدود ۱۰٪ مساحت کوچکترین پدتان را میخورد، پد برای آن تلرانس کوچک است. این را میتوانید در بازبینی فایل و بررسی Gerber پیش از سفارش زودتر از خط مونتاژ بگیرید.
بازرسی و تعمیر. فیلهٔ بزرگتر هدف بزرگتری برای AOI است و تعمیر با هویه را ممکن میکند. اگر محصول شما در میدان تعمیر میشود یا لرزش و شوک حرارتی شدید میبیند، همان سطح Most یا حداقل Nominal با توأمان سطح چگالی و کلاس IPC (مثلاً 3B) انتخاب معقولتری از فشردهسازی تا سطح C است.
پد حرارتی QFN. پوشش کامل خمیر روی پد حرارتی بزرگ، فلاکس در حال گازدهی را زیر قطعه حبس میکند و حفره (void) میسازد؛ حد پذیرش IPC-A-610 برای حفرهٔ زیر پد حرارتی ۲۵٪ مساحت است. دریچهٔ استنسیل را شبکهای طراحی کنید تا پوشش حدود ۵۰ تا ۸۰ درصد با مسیر خروج گاز بماند.
در همهٔ این موارد، قضاوت نهایی مفصل لحیم با J-STD-001 و IPC-A-610 انجام میشود، نه با IPC-7351. وظیفهٔ IPC-7351 این است که هندسهٔ پد را طوری بسازید که رسیدن به آن معیارها ممکن باشد.
چکلیست عملی پیش از ورود فوتپرینت به کتابخانه
- هندسهٔ پد را با فرمولهای IPC-7351 یا یک کتابخانهٔ تأییدشدهٔ سازگار با آن بسازید؛ نه از روی سیلکاسکرین نقشهٔ دیتاشیت.
- سطح چگالی را آگاهانه و خانوادهبهخانواده انتخاب کنید و هر انحراف از Nominal را مستند کنید.
- تصمیم SMD/NSMD را پیش از لیاوت بگیرید، نه حین مسیریابی برای هر نمونه.
- در قطعات چیپ دوپایهٔ کوچکتر از 0805، تقارن پد، ریلیف حرارتی و جای ویا را سختگیرانه چک کنید.
- courtyard را طبق سطح چگالی تنظیم کنید تا نوزل و دوربین بازرسی جا داشته باشند.
- تلرانس رجیستری ماسک سازنده را در برابر کوچکترین پد بسنجید.
- هر فوتپرینت جدید یا تغییریافته را پیش از ورود به کتابخانهٔ مشترک از بازبینی DFM رد کنید؛ یک الگوی پد بد در ده برد بعدی تکثیر میشود.
اگر برد شما همزمان به ساخت دقیق (کنترل اچینگ برای پدهای کوچک) و مونتاژ SMT تمیز نیاز دارد، این انتظارات را در خدمات ساخت PCB بردیفای مطرح کنید و فایلها را از مسیر ثبت سفارش بفرستید تا پیش از تولید بازبینی شوند. سؤالهای رایج دربارهٔ فایلها و محدودیتهای ساخت هم در صفحهٔ پرسشهای متداول پاسخ داده شده است.
منابع
- IPC، «Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standardization (IPC-7351)» — shop.electronics.org
- PCBSync، «IPC-7351 Land Pattern Standard: Footprint Naming and Design Rules» — pcbsync.com
- PCBSync، «SMD Pad Design: Land Pattern Standards & IPC-7351 Compliance» — pcbsync.com
- Sierra Circuits (ProtoExpress)، «Features of IPC-7351 Standards to Design PCB Component Footprint» — protoexpress.com