Suggerimenti e Trucchi per l'Assemblaggio

Dopo aver finalizzato il tuo progetto PCB in Altium e una volta che i PCB sono arrivati, è il momento di pensare a come assemblare le schede per la verifica. Che si tratti di produzione di massa o di prototipazione, un progettista dovrebbe essere a conoscenza delle tecniche di assemblaggio. Dovrebbe far parte del processo di revisione del progetto assicurarsi che la scheda sia stata controllata rispetto ai problemi di Design-for-Assembly (DFA). L'attenzione principale di questo articolo sarà l'assemblaggio manuale, quindi condividerò vari consigli e trucchi dalla mia esperienza, come la selezione di stencil e pasta saldante, le sfide del delta di temperatura, la saldatura dei componenti, ecc.

Crea uno Stencil per Pasta Saldante

In primo luogo, utilizzare uno stencil per distribuire la pasta saldante è un enorme risparmio di tempo rispetto all'uso di una siringa. Quasi tutte le fabbriche di circuiti stampati prototipo in tutto il mondo offrono stencil senza telaio a prezzi molto bassi, o alcune aziende offrono servizi autonomi per produrre prototipi a basso costo. Detto questo, vale ogni centesimo non dover saldare a mano ogni singolo componente montato in superficie, ed è molto più facile allo stesso tempo.

Anche se ci sono diversi processi o materiali per la produzione di stencil, si tratta semplicemente di avere aperture per la terra di saldatura su un foglio di metallo sottile, generalmente acciaio inossidabile. A seconda della dimensione minima del pitch nell'arte, potrebbero essere utilizzati stencil incisi chimicamente o tagliati al laser. L'incisione chimica è ottimale se il tuo design ha componenti con pitch molto fini. Le dimensioni più piccole dei pad guidano anche lo spessore del foglio di metallo in modo che possa essere preservato il corretto rapporto di aspetto per la corretta quantità di smaltimento della pasta saldante. La prototipazione e la produzione in piccoli lotti generalmente non richiedono un telaio intorno allo stencil a meno che non si preveda di utilizzare macchine di assemblaggio, quindi optare per uno stencil senza telaio ridurrà il costo. Da una prospettiva diversa, se sei più orientato al fai-da-te e hai accesso a un taglio laser, puoi persino produrre uno stencil da trasparenze per stampanti laser. Potresti aver provato a tagliare al laser un foglio. Potrebbe non essere andata molto bene, risultando in un pasticcio fuso. Tuttavia, è qui che entrano in gioco le trasparenze per stampanti laser, dove i fogli di acetato possono sopportare temperature più elevate e hanno circa lo spessore giusto. Si tratta tutto di gestione termica, e ci sono alcuni trucchi per migliorare l'operazione di taglio laser di uno stencil. Prima di tutto, poiché i fogli di acetato sono leggeri, non vuoi tagliare direttamente sul letto del laser poiché potrebbero facilmente muoversi durante il processo. La mia soluzione preferita è usare una sezione piatta di scatola di cartone immersa nell'acqua per il primo strato, che è coperta con un foglio di carta da fotocopiatrice anch'esso immerso nell'acqua. Su questo si aggiunge il foglio di trasparenza e un altro foglio di carta da fotocopiatrice immerso nell'acqua. Si potrebbe pensare che sia molta acqua per inzuppare il tutto, ma un raggio laser non ha problemi con l'acqua; al contrario, mantiene tutto bello e fresco in modo che lo stencil non si fonda. Puoi diminuire l'assistenza dell'aria a un livello minimo che non asciughi la carta e mantenga pulita la lente.

Mantieni la velocità di movimento bassa a meno che tu non disponga di una macchina di alta gamma come Trotec o Epilog. Alcuni laser potrebbero rimbalzare dalle cinghie, risultando in angoli imprecisi e nel danneggiamento dei piccoli frammenti tra i pad dei componenti a passo fine. Come ultima impostazione, il livello di potenza dovrebbe essere impostato per tagliare il primo strato di cartone ma non completamente, assicurando di avere abbastanza potenza per tagliare in modo pulito senza calore non necessario.

Fissaggio e Applicazione della Pasta

Dopo aver ottenuto lo stencil, è cruciale allinearlo precisamente sopra la scheda elettronica. La mia soluzione preferita fino a poco tempo fa era usare vecchie schede elettroniche per creare una cornice sulla mia scrivania, fino a quando non ho tagliato al laser una lastra di acrilico per fare lo stenciling. Non è necessariamente richiesta una superficie tagliata al laser, ma qualsiasi cosa rigida e piatta, come una clipboard o un tagliere, dovrebbe fare al caso.

Invece di usare PCB di scarto per tenere ferma la scheda sulla mia lastra di acrilico, ho anche stampato in 3D dei contorni per schede con un bordo che assicura che lo stencil non si appoggi su nulla di più alto della superficie della scheda. Avere lo stencil che si appoggia delicatamente sulla superficie superiore della scheda aiuterà a ridurre l'effetto di sbavatura mantenendo la scheda in contatto con lo stencil durante l'intero processo. Ho trovato utile anche fissare lo stencil a un altro rialzo di plastica che funge da cerniera, permettendoci di sollevarlo in modo pulito. Non aver paura di usare nastro adesivo extra sul bordo opposto dello stencil per prevenire qualsiasi spostamento, poiché l'allineamento durante l'applicazione è vitale. Ci sono molti modi per avere un allineamento fai-da-te preciso, specialmente dopo la rivoluzione delle stampanti 3D, e questo è solo uno di essi.

Il passo successivo è l'applicazione della pasta saldante, ma è necessario avere la pasta giusta. Preferisco usare la serie GC10 di Henkel Loctite in dimensione di maglia T4 o T5, dove più fine è la maglia, migliore è l'applicazione sui piccoli pad. Questa pasta è perfetta per il prototipaggio per un paio di motivi. Primo, avrai oltre 8 ore di tempo di assemblaggio prima che la pasta si deteriori. Inoltre, per essere stabile a temperatura ambiente, non necessita necessariamente di essere conservata in frigorifero. Anche se la pasta saldante di buona qualità è costosa, un barattolo di essa ti servirà bene oltre la fine della sua vita utile. Non preoccuparti se la pasta è scaduta - come trucco salvavita, invece di buttare via la pasta scaduta che è difficile da stendere, puoi semplicemente aggiungere un po' di flusso in gel alla pasta. SMD291 di CHIPQUICK è di gran lunga la mia scelta migliore rispetto a qualsiasi altro flusso in gel, e non riesco a pensare a un duo migliore oltre alla pasta scaduta miscelata con flusso scaduto.

Ora che hai applicato la pasta su tutti i pad, è il momento di posizionare i componenti. Le pinzette curve sono le mie preferite perché offrono una migliore visibilità e precisione durante il posizionamento dei componenti. Tuttavia, consiglio vivamente di evitare a tutti i costi le pinzette economiche vendute in multipack: non ne vale la pena. Cerchi pinzette in acciaio inossidabile o in ceramica ESD con un modello 7SA. Amo anche avere impugnature imbottite, poiché sono molto più comode durante lunghe sessioni di assemblaggio.

Tieni traccia dei componenti con Assembly Assistant

Stampare il disegno di assemblaggio è un'opzione per tenere traccia di dove va ogni parte. Di recente ho provato Altium 365 Assembly Assistant, che è molto più pratico delle stampe. È facile seguire il progresso dell'assemblaggio grazie alla popolazione virtuale della scheda e alle funzioni di ricerca con un buon feedback visivo. Clicca sul link se vuoi provarlo; potresti non voler tornare alle stampe.

Quando riflui la scheda, ottieni aiuto dalla tensione superficiale, che ti dà una certa libertà nella precisione del posizionamento. Finché i terminali del componente toccano la pasta, il pezzo si raddrizzerà durante il riflusso, semplificandoti la vita quando posizioni componenti piccoli come il pacchetto 0201. Per quanto riguarda il posizionamento degli IC, assicurati solo che i terminali siano allineati con la pasta e non tocchino un pad adiacente, poi lascia fare il resto alla tensione superficiale. Non c'è bisogno di preoccuparsi se non è posizionato correttamente durante il riflusso; se non sei sicuro, dai all'IC una piccola spinta mentre il saldante è ancora liquido, e tornerà al suo posto o si sposterà fuori allineamento. Se è fuori allineamento, puoi prenderlo e posizionarlo di nuovo.

Una semplice stazione di rilavorazione ad aria calda con controllo della temperatura è generalmente adatta per rifluire la maggior parte delle schede. La stazione di rilavorazione in stile 858D ha svolto bene il suo compito per oltre un decennio nel mio laboratorio; è economica e fa abbastanza bene il suo lavoro. Basta essere consapevoli che il banco e il tappetino ESD potrebbero sciogliersi durante il riflusso. Uso fogli di cottura in silicone a forma di piramide per mantenere calda la scheda e isolare il piano di lavoro. Non è necessario andare alla spesa di un forno tostapane per un riflusso; tuttavia, se scegli di farlo, controlla picoReflow, che è un progetto open-source che prende il controllo del tuo forno.

Il processo di rifusione potrebbe diventare leggermente complicato se si dispone di una scheda con molta massa termica, come nuclei metallici o numerosi strati di rame di grosso spessore. Portare abbastanza calore sulla scheda potrebbe richiedere più tempo, causando l'evaporazione del flusso prima che la saldatura sia completamente rifusa. Potrebbe essere necessario considerare l'uso di un preriscaldatore, poiché la stazione di rifusione da sola potrebbe non essere sufficiente. Se sei disposto a sostenere il costo, JBC produce alcuni dei migliori preriscaldatori professionali. Io utilizzo l'alternativa a basso costo Quick 854, che ha un'area riscaldata limitata e un controllo ridotto. In alternativa, una padella elettrica economica o una griglia Teppanyaki rappresentano un'alternativa economica ai preriscaldatori professionali; tuttavia, hanno un controllo del calore scadente che alterna il surriscaldamento o non fornisce abbastanza calore.

Se il tuo laboratorio dispone di un preriscaldatore, puoi pensare di utilizzarlo per l'intero processo di rifusione. Anche se sono capaci, preferisco non usarli per la rifusione. Invece, mi piace usarli per riscaldare la scheda alla temperatura di ammorbidimento della pasta, poi uso la mia stazione ad aria calda per riscaldare selettivamente la scheda - un'area alla volta, il che mi permette di monitorare la fusione della saldatura. Fare ciò riduce anche il mio tempo di rilavorazione per problemi di assemblaggio, poiché posso correggere eventuali problemi al volo. Non è una sostituzione completa per un forno di rifusione industriale multi-zona. Eppure, solo una piccola percentuale delle mie schede presenta problemi come il tombstoning o il posizionamento disallineato.

I componenti a foro passante sono gli ultimi nel processo di assemblaggio. Dovresti iniziare l'assemblaggio a foro passante non appena la scheda si è raffreddata a sufficienza da poter essere maneggiata, specialmente se la tua scheda ha molta massa termica. Lavorare con la scheda calda diminuirà il delta di temperatura e renderà la tua vita più facile durante la saldatura. Vale la pena menzionare che una stazione di saldatura di buona qualità ti aiuterà molto, in aggiunta alla selezione della giusta geometria della punta. Preferisco le punte a scalpello piuttosto che quelle coniche, che generalmente sono più problematiche di quanto valgano. Se hai componenti a foro passante con molta massa termica (come i blocchi terminali), riscaldare il terminale è più una sfida che riscaldare la scheda. Considera l'uso di una punta specializzata con una sezione concava per gestire questi. Non importa se la punta è più grande del componente o del terminale; la tensione superficiale ti aiuterà molto. Uso felicemente una punta larga 3mm per rilavorare componenti 0402.

Con tutti questi consigli e trucchi, prototipare con componenti montati in superficie sarà molto più facile e veloce che prototipare con parti a foro passante. Prova il prototipaggio interno; non richiede molto tempo finché mantieni il numero di componenti entro limiti gestibili da te stesso. È anche una sorta di meditazione, e la trovo piuttosto rilassante. Segui per altri consigli sull'assemblaggio per un gran numero di componenti, assemblaggio pick-and-place, e così via.

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