【KiCad】PCB 上常用的“点”（一）：基准点（Mark | Fiducial）

鸣涧

【KiCad】PCB 上常用的“点”（一）：基准点（Mark | Fiducial）

“ 基准点也叫 Mark 点或 Fiducial，为 SMT 装配工艺中的所有步骤提供共同的可测量点，保证了装配使用的设备能精确地定位器件封装。 ”

基准点(Fiducial)

基准点，亦称为 Mark 点或 Fiducial 标记，在装配工艺中扮演着至关重要的角色。它们为所有装配步骤提供了一组共同的、可测量的参考点，从而确保用于装配的设备能够精确地定位组件封装。在 SMT（表面贴装技术）生产中，基准点的作用尤为显著。简而言之，若 PCB（印刷电路板）上安装有表面贴装的组件，则必须设置 Mark 点，以便贴片机能准确地进行定位。

Mark 点的图片如下所示：

Fiducial 的理论知识

请参考IPC-SM-782A中的指南，了解IPC对Mark点的相关建议。

Mark 点可以分为两类：

• 全局 Mark 点(Global Fiducials)
• 局部 Mark 点(Local Fiducials)
  

在全局Mark点的分类中，我们进一步区分为单板Mark点和拼板Mark点（Panel Fiducial）。单板Mark点的作用是定位单个PCB板上所有电路特征的位置。而拼板Mark点则用于帮助定位组合板上的所有电路特征。另一方面，局部Mark点专门用于定位单个元件，这对于提升特定元件，如引脚数量多且密集的QFP、BGA等关键器件的贴装精度非常重要。

下面的图示将分别阐释全局Mark点、局部Mark点和拼板Mark点的具体内容：

为了确保SMT（表面贴装技术）设备的贴装精度，至关重要的是，PCB（印刷电路板）上必须至少设有一对符合设计规范的Mark点，以便SMT机器能够进行识别。这两个Mark点最好放置在板子的对角线位置，且两者之间的距离应尽可能大。至少需要两个Mark点的原因在于，它们能帮助校正在X和Y方向上的平移偏差以及旋转（theta）偏差。

进一步考虑到非线性失真（例如缩放、拉伸或扭曲）的情况，至少需要三个Mark点。这三个点应以三角形的形式布置，并确保它们彼此之间尽可能地远离。这样的布局有助于提高对非线性失真的校正效果。

Fiducial 设计规范

以下规范由 SMEMA 定义并得到了 IPC 的支持

• 形状
  建议使用实心的圆，但也可以使用其他形状，如下图：
  
• 尺寸
  基准点的直径应该介于最小1.0毫米（40 mil）和最大3.0毫米（120 mil）之间。重要的是，同一块PCB上的所有基准点的尺寸需要保持一致。因此，建议工程师在设计时统一所有基准点的直径为1.0毫米。
• 间距
  Fiducial 周围的区域应保持空旷，这个空旷区域的半径至少需要是 Fiducial 半径的两倍（即2R，其中R代表Mark点的半径）。若条件允许，将空旷区域扩大至Mark点半径的三倍（3R）将有助于提高机器的识别效果，尽管这样会占用更多的PCB空间。重要的是，在这个空旷区域内不应存在任何物体，包括铜皮或丝印等元素。
  
  
  
• 材料要求
  通常情况下，基准点应使用裸铜材质。若使用阻焊层，应确保这层阻焊不会覆盖到基准点周围的空旷区域。
• 表面平整度
  基准点的表面平整度需要控制在15微米以下
• 边缘间距
  基准点到 PCB 板边缘的距离必须至少为5毫米，这是考虑到机器夹持 PCB 的最小空间要求，同时还需符合上述提到的空旷区域间距规定。
• 对比度
  为了实现最佳的机器识别效果，Mark点与PCB基材之间应具有高对比度。
  
  

Fiducial 的不良实例

常见的 Mark 点问题主要包括以下几种情况：位于距离板边太近的位置，导致机器无法正确识别；或者被V型切割槽切断；还有可能是由于丝印覆盖了周围的空旷区域，进而影响了机器的识别能力：

Fiducial 实际应用

阅读完IPC的规范后，可能会对Mark点的具体数量和布局感到困惑。基于实际设计经验，以下是一些关于Mark点设置的建议：

• Mark点尺寸和间距：
  
  
  • 选择直径为1.0毫米的Mark点，并确保它们之间的间距为2R或3R。
    
    
• 单板Mark点布局：
  
  
  • 在单个PCB板上，建议使用四个Mark点，分别放置在四个角上。不必过分考虑对称性，但要注意与板边的距离。
  • 如果PCB线路非常密集，可以考虑将Mark点放置在直插组件（如RJ45、USB接口）的下方。由于SMT装配过程通常在直插组件装配之前进行，这样的布局不会影响SMT阶段。
    
    
• 拼板设计：
  
  
  • 对于拼接的PCB板，除了四个角的Mark点外，在主副工艺边上再增加四个Mark点。
    
    
• 局部Mark点：
  
  
  • 考虑到当前的视觉检测技术，局部Mark点并不是必需的，但如果有足够空间，建议还是添加这些点，以增加布局的灵活性。
    
    

KiCad 中应用

在 KiCad 中，KLC 建库团队非常贴心地准备了所有常用尺寸的 Mark 点封装。直接在封装库中搜索 “Fiducial” 或者查看 Fiducial 类即可：

我们以官方推荐的直径为 1 mm，阻焊外扩 3R，即 3 mm 的 Mark 点为例（见下图）：

中间是一个直径为 1mm 的贴片焊盘，阻焊层扩展值设为 1 mm，即向外扩展 1mm，因此实际的开窗直径为 3mm（即3R）。

最外侧的 Courtyard 层直径设为 3.5 mm（比开窗区域略大）
实际的效果如下图所示：


在需要使用 Mark 点的场合，直接从封装库摆放到 PCB 即可。

结束语

Mark 点在 SMT 装配时非常重要，但设计工程师往往对其知之甚少，有时是板厂的工程师直接帮用户解决了问题。了解了 Mark 点的作用及使用方式，可以让设计和制造更严谨，提高良率，减小 NG 的可能性。