Guida completa all'assemblaggio SMT fai da te nel tuo ufficio

Assemblare prototipi con la SMT (tecnologia a montaggio in superficie) non solo è facile, richiede anche pochissima attrezzatura. Utilizzando solo uno stencil, posso facilmente realizzare prototipi di circuiti integrati con passo fino a 0,3 mm e componenti passivi di dimensioni 0201 (sistema imperiale). I minuscoli componenti su scala wafer possono sicuramente rappresentare una sfida, ma la maggior parte dei prototipi che vengono prodotti regolarmente possono essere assemblati a mano in un paio d'ore con risultati di qualità produttiva, comprese le schede a doppia faccia. Se al momento stai assemblando manualmente schede SMT con una stazione di saldatura, devi interrompere immediatamente questa operazione e iniziare a utilizzare uno stencil!

La maggior parte dei produttori di circuiti stampati a basso costo offre anche un servizio di stencil senza cornice per circa 5-25 USD, a seconda delle dimensioni della scheda. Gli stencil e le schede che uso in questo articolo sono stati acquistati da JLCPCB, ma anche altri fornitori hanno stencil simili. Se hai già ordinato le schede da un fornitore locale, in quasi tutti i continenti ci sono aziende che vendono stencil in Kapton, acetato o acciaio inossidabile a basso costo e senza cornice. In alternativa, se disponi di un laser cutter a CO2, puoi facilmente realizzare uno stencil a partire da un foglio di trasparenza per fotocopiatrice in acetato. Ora però ci stiamo discostando un po' troppo dall'ambito di questo articolo.

L'uso di uno stencil rende l'assemblaggio della scheda SMT estremamente resistente, molto più veloce e molto più semplice rispetto alla saldatura di ogni componente. Uno stencil ti consente di assemblare utilizzando componenti impossibili da saldare a mano, come componenti BGA o pacchetti senza piombo con i pad a vista sotto il centro che semplicemente non puoi raggiungere con un saldatore. Grazie a semplici strumenti che richiedono molto meno sforzo rispetto alla saldatura individuale di ciascun componente, puoi produrre una scheda che sembra uscita da una linea di pick and place in meno tempo di quello necessario per ottenere un preventivo per un lavoro analogo.

Strumenti e materiali per l'SMT PCB assembly

Indipendentemente da quanto sia ben (o mal) attrezzato il tuo laboratorio di elettronica, per assemblare le proprie schede ed ottenere risultati di qualità fantastica, sono necessarie pochissime attrezzature. Probabilmente hai già il materiale necessario e, in caso contrario, puoi procurartelo a basso costo. Questo processo è adatto sia agli studenti alle prime armi che agli ingegneri professionisti che si occupano di prototipazione rapida in aziende multinazionali.

Oltre a strumenti e materiali, dovresti avere uno spazio di lavoro molto ben illuminato. Lavorare con componenti di piccole dimensioni può affaticare rapidamente gli occhi se non si utilizza un'illuminazione di alta qualità. Io utilizzo due pannelli luminosi a LED progettati per lavori di videografia montati sul mio banco da lavoro, e anche una lampada con lente d'ingrandimento di buona qualità può essere estremamente utile. Se non lavori con componenti abbastanza piccoli da dover utilizzare la funzione di ingrandimento, togliere la lente dalla lampada può aiutarti a vedere meglio poiché il tuo respiro non appannerà più la lente!

Per iniziare, ti servirà della pasta saldante: la Loctite/Henkel GC 10 in mesh T4 è un'ottima pasta per la lavorazione manuale di SMT. Può essere conservato a temperatura ambiente ed offre numerose ore di tempo per terminare l'assemblaggio manuale SMT, consentendoti anche di rifondere la scheda. Si tratta di una saldatura SAC305 senza piombo, che offre risultati eccellenti.

Per maneggiare la pasta saldante, e pulire successivamente, ti serviranno dei guanti di nitrile. Questa fase può essere un po' sporca ed è molto più facile buttare via un paio di guanti che cercare di pulirsi di dosso la pasta saldante appiccicosa.

Per pulire la pasta saldante avrai bisogno di un po' di isopropanolo, noto anche come alcol denaturato o alcol isopropilico, in questo modo semplificherai il lavoro di pulizia dello stencil. Ti serviranno anche alcuni tovaglioli di carta per la pulizia nei passaggi successivi.

Per applicare la pasta è necessaria una spatola di qualsiasi tipo. Di solito uso un pezzo di plastica delle dimensioni di una carta di credito, come la tessera fedeltà di un negozio che non utilizzo. Evita di utilizzare dispositivi metallici, come un raschietto o una spatola, perché possono provocare dei danni. La spatola che utilizzi dovrebbe essere più morbida del materiale dello stencil, se possibile. In questo modo, sarà il tuo prezioso stencil a danneggiare la spatola (facilmente sostituibile) e non il contrario.

Montaggio della scheda

Per montare la scheda con precisione, avrai bisogno di qualcosa che la tenga in posizione e che abbia lo stesso spessore della scheda. In questo articolo sto usando dei bordi stampati in 3D, ma è possibile anche utilizzare un acrilico da 1/16 di pollice tagliato al laser o alcuni PCB non popolati di ricambio / da scartare. Il vantaggio di usare i bordi stampati in 3D è che ho aggiunto una linguetta all'esterno, che consente al nastro adesivo che sto usando per montare i bordi di rimanere più in basso rispetto alla parte superiore del bordo stesso. Il bordo non solo mantiene la scheda in posizione con precisione, ma fornisce anche il supporto per lo stencil in modo che non possa piegarsi o sollevarsi dal circuito stampato durante il lavoro.

In questo articolo, userò una scheda acrilica tagliata al laser per il montaggio del circuito stampato, ma questo è soprattutto per mia comodità. In passato, ho quasi sempre attaccato tutto alla scrivania con del nastro adesivo! Andrà bene qualsiasi nastro adesivo; io personalmente utilizzo un nastro 3M sottile, largo circa 4 cm: è più largo del tipico nastro adesivo e rende le cose molto più semplici.

Una volta applicata la pasta alla scheda, ti servirà un paio di pinzette di buona qualità per posizionare i componenti. Io utilizzo le pinzette Swanstrom 7-SAH, dotate di un'ampia impugnatura imbottita che le rende comode da usare per periodi prolungati. Sono realizzate in acciaio inossidabile di alta qualità, che non si piega facilmente quando le utilizzi per staccare il nastro di copertura dai componenti SMT.

Dopo aver posizionato i componenti SMT sulla scheda, dovrai riscaldare la scheda per fondere la saldatura. Non sono necessari strumenti sofisticati per questo lavoro: un forno per pizza/tostapane adeguatamente convertito o una padella elettrica funzioneranno perfettamente. Personalmente, di solito uso un'economica stazione di rilavorazione ad aria calda 858D, il che significa che devo muovermi lungo la scheda, riscaldandola man mano per fondere la saldatura. Di conseguenza, è necessario un po' più di tempo per rifondere ogni scheda; tuttavia, è uno strumento economico che già possiedo. Ho anche un tappetino da cucina in silicone per proteggere il mio tappetino ESD e il mio banco da lavoro dal calore. Se la tua scheda ha dei ground pour molto grandi, rame spesso o più layer di massa, una padella elettrica a basso costo funziona molto bene come piastra di preriscaldamento. Lo strumento di rilavorazione ad aria calda può quindi essere utilizzato per portare la saldatura alla temperatura massima di rifusione.

Fasi dell'assemblaggio SMT: struttura del PCB

Inizio inquadrando il PCB sul mio piano di lavoro. Vogliamo che il bordo aderisca perfettamente su tutti e quattro i lati per bloccare completamente la scheda su cui applicherai la pasta. Dovrebbe avere un supporto su tutti i lati, dello stesso spessore della scheda, in modo da sostenere lo stencil una volta posizionato.

Io utilizzo il nastro adesivo per fissare i bordi, poiché il nastro è sottile e facile da rimuovere al termine del lavoro.

Una volta posizionata la cornice, dovrai fissare con del nastro adesivo lo stencil SMT. Costruisco una cerniera sul retro dello stencil con del nastro adesivo, che manterrà lo stencil perfettamente allineato con i pad. L'allineamento è fondamentale se si dispone di componenti estremamente piccoli o a passo fine. Se l'allineamento dello stencil non è perfetto, è molto facile che un pad 0201 risulti completamente errato. Per fortuna, allineare lo stencil è semplice: basta continuare a spostarlo un po' alla volta fino a quando ogni apertura dello stencil mostra un metallo brillante e non è visibile alcuna maschera di saldatura.

Anche il retro dello stencil SMT avrà bisogno di materiale di supporto, in modo che il retro dello stencil, su cui è incernierato, sia esattamente alla stessa altezza del PCB su cui stai applicando la pasta. Una volta che lo stencil SMT è perfettamente allineato, fai scorrere una striscia di nastro adesivo sul retro per tenerlo in posizione. Questo ti consentirà di sollevare lo stencil dal pannello senza sbavare la pasta appena stampata.

Applicazione della pasta saldante nell'assemblaggio SMT

Se hai mai effettuato una serigrafia, probabilmente sei già un esperto nell'applicazione della pasta saldante: il processo è esattamente lo stesso. Se non l'hai mai fatto, non temere: è molto facile!

Per prima cosa, raccogli una buona quantità di pasta saldante sulla tua spatola; io uso un pezzo di plastica delle dimensioni di una carta di credito, utilizzando il lato stretto in modo che la pressione esercitata sia uniforme su tutta la larghezza della spatola. La pasta raccolta utilizzando la spatola dovrebbe coprire l'intera larghezza in modo relativamente uniforme.

Con una mano, tieni saldamente lo stencil sulla cornice in modo che sia perfettamente piatto e posizionato sulla scheda. Non sollevare o spostare la mano finché non hai finito completamente! 

Inizia con la spatola posizionata sopra l'apertura dello stencil, sul lato dello stencil opposto rispetto a te. Il primo pezzetto di pasta deve essere applicato su una parte non tagliata dello stencil sopra il bordo, e non su un'apertura dello stencil. Con pressione decisa, tira la spatola verso di te; la saldatura in eccesso che hai sulla spatola deve essere pressata nello stencil. La presenza di una buona striscia di pasta saldante al termine del lavoro è perfettamente accettabile. Invece, non va bene quando le aperture dello stencil non sono riempite completamente. Se ciò accade, riprova, assicurandoti che lo stencil non si muova ne si sollevi.

Quando tutte le aperture dello stencil sono state riempite correttamente, esegui un ultimo leggero passaggio di pulizia sullo stencil con la spatola tenuta verticalmente. In questa fase, stai solo cercando di ripulire la pasta saldante in eccesso. Con questa operazione tutte le aperture dello stencil dovrebbero risultare piene fino all'orlo di pasta saldante. Se eserciti una pressione troppo forte durante questa fase, potresti far uscire un po' di pasta saldante dall'apertura e rimanere senza pasta su alcuni pad. In genere è meglio avere una quantità leggermente eccessiva di pasta saldante piuttosto che troppo poca.

Una volta che lo stencil appare relativamente pulito (non dovrebbe essere necessaria più di una passata per ottenere questo risultato), metti da parte la spatola sporca su un pezzo di carta assorbente. A questo punto dovresti avere ancora una mano che mantiene la pressione sullo stencil; sappi solo che ora puoi prepararti a spostarla. Solleva la parte anteriore dello stencil verso l'alto mantenendo la pressione sul resto. Rilascia lentamente lo stencil mentre continui a sollevarlo il più dritto possibile: non devi far muovere lo stencil lateralmente per evitare di sbavare la pasta saldante.

Una volta che lo stencil è stato sollevato completamente dalla scheda, puoi ispezionare la pasta saldante. Dovrebbe essere definita in modo netto con le parti superiori piatte su ciascun pad di pasta. Se sono presenti delle sbavature di pasta (ricordati di controllare attentamente i componenti dal passo più fine) dovrai ricominciare da capo. Dovrai pulire completamente la pasta di saldatura dalla scheda utilizzando un panno di carta imbevuto di isopropanolo e tornare all'inizio del processo. Allo stesso modo, se sembra che i pad siano ben definiti, ma sono ancora presenti delle sbavature di saldatura tra di essi, significa che lo stencil si è sollevato mentre applicavi la pasta. Di nuovo, dovrai pulire accuratamente la scheda e riprovare. 

Una volta che avrai imparato la tecnica per applicare la pasta e sollevare lo stencil, la tua percentuale di successo con l'SMT diventerà estremamente alta, e magari diventerà improbabile che tu debba pulire la pasta dalla scheda.

Prima di procedere con il riempimento della scheda con i componenti SMT, posiziona un tovagliolo di carta nel punto in cui si trovava il circuito stampato e pulisci lo stencil con un tovagliolo di carta imbevuto di isopropanolo. È molto più facile pulire man mano che si procede, piuttosto che dimenticarsi di pulire lo stencil e poi ritrovarlo ricoperto di pasta di saldatura dura come la roccia, quasi impossibile da pulire!

Riempimento del PCB

Se hai mai saldato a mano molti componenti su un circuito stampato, adorerai il prossimo passo. In confronto, è facilissimo.

Ora non ci resta che esaminare la nostra distinta di base e posizionare le parti sulla scheda. L'uso delle pinzette curve rende questa operazione molto più semplice, in quanto non è necessario pianificare esattamente l'ordine di posizionamento: le pinzette consentono di raggiungere gli altri componenti SMT abbastanza facilmente.

Suggerisco di osservare una visualizzazione 3D della scheda con Altium prima di iniziare a determinare quali componenti potrebbero intralciare la mano e prevedere di posizionarli per ultimi. Se sulla scheda sono presenti delle aree ad alta densità di componenti, posiziona prima i componenti più critici e di difficile accesso in tali aree. I componenti SMT come resistori e condensatori possono essere posizionati per ultimi in quelle aree poiché il loro allineamento è meno essenziale. Se hai difficoltà ad accedere ai pad, puoi semplicemente farli cadere nel punto giusto nel miglior modo possibile e poi spingerli nella posizione corretta.

Posiziona per ultimi i componenti più grandi come induttori, condensatori in alluminio e connettori a montaggio superficiale, poiché sono quelli che hanno maggiori probabilità di intralciarti quando posizioni altri componenti SMT.

Il posizionamento dei componenti è importante ma non particolarmente critico. In genere, finché i terminali del componente toccano la pasta saldante, l'allineamento è sufficiente. Questo rende i componenti senza piombo più facili da montare di quanto si possa pensare. Se il componente è posizionato in modo corretto sull'impronta, si posizionerà da solo una volta che la saldatura si sarà sciolta. Una volta posizionato ogni componente, premilo delicatamente nella pasta per assicurarti di avere un buon contatto con il flusso. In questo modo è anche più difficile far cadere accidentalmente i componenti dai loro cuscinetti mentre ci lavori intorno. Quando riscalderai la scheda con l'aria calda, il fatto che i componenti siano a contatto con questo flusso "appiccicoso" ridurrà anche la possibilità di farli saltare accidentalmente dalla scheda, se ti avvicini un po' troppo con l'aria calda!

Se hai le mani tremanti o dei tremori, posizionare i componenti più piccoli può essere una vera sfida. Se ho difficoltà ad allineare perfettamente una parte, uso la mano sinistra per sostenere le pinzette mentre le tengo con la mano destra. Lavorare con due mani contribuisce a ridurre le scosse e consente un controllo motorio molto più preciso, aiutando notevolmente a posizionare il passo più fine e i componenti più piccoli.

SMT assembly: come "cucinare" la scheda

Con tutti i componenti posizionati correttamente sulla scheda, è il momento della parte davvero divertente: "cucinare" la scheda.

Come già ho detto, ai fini di questo articolo sto utilizzando una pistola di rilavorazione ad aria calda molto economica per mostrare quanto questo processo possa essere facile e conveniente. Con la scheda appoggiata sul tappetino in silicone, inizio a riscaldarla con la stazione di rilavorazione impostata su 350 ^oC e l'impostazione del flusso d'aria al massimo.

Inizia riscaldando con la pistola termica a una distanza ragionevole dalla scheda, spostandoti su tutte le aree. Dapprima cerca soltanto di riscaldare l'intera scheda, generare calore nelle aree di rame più grandi e nelle colate. Se sulla scheda sono presenti induttori o trasformatori di grandi dimensioni, riscalda anche quelli, poiché avranno bisogno di una grande quantità di calore. Mentre riscaldi la scheda, vedrai la pasta saldante diventare lucida man mano che il flussante inizia a diventare più liquido. Il tuo obiettivo a questo punto è riscaldare la scheda, ma non così tanto da far fuoriuscire il flussante. 

Una volta che tutta la pasta avrà un aspetto bello lucido, è arrivato il momento di avvicinare la pistola termica, ma tenendola a circa 35-50 mm di distanza. Non avvicinarti troppo: la pistola termica è impostata su un livello di calore maggiore del necessario e potrebbe danneggiare i componenti SMT o il PCB. Potresti anche rischiare di far scivolare alcune parti piccole dai pad prima che la saldatura si sciolga! Inizia a lavorare con la pistola in piccoli cerchi sul primo set di componenti. Stai cercando di portare i componenti e i relativi pad al punto di fusione della saldatura e di riscaldare eventuali grossi versamenti di rame in modo che i pin collegati a queste aree rifluiscano contemporaneamente. Non ho mai usato il rilievo termico su nessuna delle mie schede e non ho avuto alcun problema con le schede che rifluivano in modo uniforme usando questo approccio low tech.

Adoro guardare la pasta saldante sciogliersi e diventare lucida, con i componenti che si centrano sui rispettivi footprint. Una volta che la saldatura su ogni pad nell'area si è completamente sciolta, continua a riscaldare l'area per altri 2 o 3 secondi prima di spostare lentamente il calore in altre aree vicine. Non spostarti troppo velocemente o la saldatura si raffredderà troppo rapidamente. Al contrario, non fare in modo che il calore permanga a lungo, o la saldatura si ossiderà troppo.

Come controllare la saldatura della pasta saldante

Se non sei sicuro che la saldatura si sia sciolta sotto un componente senza piombo, usa le pinzette per spingerla leggermente prestando molta attenzione. Un componente appoggiato sulla saldatura fusa galleggerà di lato e poi rimbalzerà per tensione superficiale se la saldatura si è sciolta. Un componente che si trova su una pasta non fusa non si sposta facilmente e non si ricentra quando allontani la pinzetta.

Se un componente SMT non è stato allineato abbastanza bene ed è saltato a un'angolazione strana durante il riflusso, puoi semplicemente riportarlo al punto in cui entra in posizione correttamente usando le pinzette. Mentre la saldatura è fusa, hai molta libertà di spostare i componenti prendendoli con le pinzette. La tensione superficiale della saldatura fusa farà in modo che i componenti si adattino direttamente sul footprint quando li hai nel giusto allineamento e, in generale, assicurati di non avere pin collegati a ponte. Se i pin sono visibilmente collegati, puoi rimediare in un secondo momento con un po' di flussante e un saldatore, oppure puoi sollevare il componente dalla scheda mentre la saldatura è ancora fusa e poi rimetterlo al suo posto. I pin collegati indicano solitamente che sulla scheda è presente troppa pasta saldante.

Di nuovo, cerca di non mantenere il calore applicato su un'area troppo a lungo quando risolvi i problemi: potresti causare un'eccessiva ossidazione della saldatura, con il rischio di ottenere un giunto di scarsa qualità. Se riscontri un problema che non pensi di poter risolvere in pochi secondi e non pensi di poter risolvere con una stazione di saldatura in seguito, lascia perdere per ora. Una volta terminato il riflusso della scheda, puoi applicare il flussante in gel ai componenti nell'area che riscalderai, mascherare gli altri pin vicini con nastro Kapton e quindi rifluire nuovamente quell'area. Il flussante in gel ti darà il tempo di correggere gli errori e di pulire gli ossidi dalla saldatura. Attenzione: il flussante in gel può essere molto sporco da lavorare e richiede un'accurata pulizia.

Fase finale dell'assemblaggio SMT

Per questa scheda in particolare, ho dimenticato di ordinare un elemento, un condensatore. Per fortuna avevo un condensatore, con lo stesso valore e la stessa potenza, avanzato da un altro progetto SMT che potevo utilizzare. L'unico problema era che il pacchetto era molto più piccolo. Per questa scheda mi è bastato saldare il condensatore in seguito, ma è molto più semplice saldare i componenti sulla scheda mentre è ancora calda a causa dell'attività di riflusso. Sfrutta sempre il calore residuo se hai bisogno di aggiungere parti con fori passanti o correzioni dell'ultimo minuto.

Schede a doppia faccia

Per saldare una scheda a doppia faccia, basta seguire esattamente la stessa procedura per il lato opposto. Dovrai costruire il supporto per la tua scheda per fare spazio ai componenti sul lato inferiore o semplicemente ritagliare una tasca da una base come ho fatto io con la mia scheda acrilica per questo PCB. Cerca di saldare prima il lato con i componenti meno critici e più piccoli, in modo da non avere problemi di caduta dei componenti, poiché la tensione superficiale della saldatura fusa li tratterrà. È più facile lasciare il lato più complesso per la seconda manche. 

Se sei particolarmente preoccupato che i componenti del lato inferiore si stacchino o siano disallineati durante la seconda cottura, utilizza una pasta saldante allo stagno bismuto sul secondo lato. Il suo punto di fusione è molto più basso di una pasta SAC305, e ciò significa che la saldatura sul lato inferiore non noterà nemmeno il calore quando la pasta SnBi sarà rifusa con successo.

Divertiti!

Speriamo che questo articolo abbia dimostrato che la rifusione di una scheda con strumenti di laboratorio SMT rudimentali e a basso costo è relativamente facile e consente di ottenere risultati di alta qualità. Molte persone che non hanno provato a utilizzare uno stencil esprimono stupore per il fatto che io possa lavorare a mano con componenti 0201 o componenti senza piombo a passo molto fine. La verità è che chiunque può farlo. Con un semplice stencil e una pasta di qualità, rimarrai stupito da ciò che puoi ottenere con l'SMT. Lascia la stazione di saldatura spenta quando riempi le schede; ci sono modi più efficienti per farlo che saldare ogni componente individualmente.

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