Proteggere il Tuo Progetto PCB dai Difetti dell'Assemblaggio Meccanico

Al giorno d'oggi, la maggior parte dei PCB non viene assemblata a mano, eccetto per i componenti speciali o per eliminare un passaggio di rifusione. Quando si fa assemblare una scheda su una linea automatizzata invece che con lavoro manuale, ci si aspetta che la PCBA sia priva di difetti. In realtà, nessun processo di assemblaggio PCB è mai perfetto, anche con attrezzature di punta, e una piccola percentuale delle tue schede potrebbe occasionalmente presentare problemi di qualità. Tuttavia, essere consapevoli dei problemi può aiutarti a ottimizzare il tuo progetto per minimizzare o addirittura prevenire alcuni difetti comuni nell'assemblaggio dei PCB.

Difetti nell'Assemblaggio dei PCB

Ci sono molti difetti che possono sorgere in qualsiasi PCBA, sia durante la fabbricazione che l'assemblaggio. Alcune pratiche di base DFM da parte di un progettista, e una revisione DFM da parte del tuo fabbricante, aiuteranno. Anche se la probabilità di vedere questi difetti è generalmente bassa, sei statisticamente garantito di incontrare difetti se abbastanza schede vengono messe in produzione. Qui è mostrata la lista di alcuni dei principali difetti nell'assemblaggio dei PCB, 

1. Ponti di Saldatura

Uno dei difetti più gravi nell'assemblaggio delle PCB che potrebbe causare seri danni quando viene alimentato è i ponti di saldatura o cortocircuiti tra i terminali dei componenti a passo fine. I cortocircuiti sono solitamente piccoli e sfuggono facilmente all'ispezione visiva. I cortocircuiti durante l'assemblaggio delle PCB possono essere causati da vari fattori. Ad esempio, i pad dei componenti che sono troppo larghi con poco spazio tra di loro possono risultare in ponti di saldatura. I cortocircuiti possono anche essere causati da una quantità eccessiva di saldatura posizionata sui pad a causa di stencil eccessivamente spessi, o possibilmente stencil sporchi.

• Scopri di più sui cortocircuiti causati da ponti di saldatura

Difetto del ponte di saldatura identificato visivamente. [Fonte: Springer]

2. Giunzioni Aperte

Le giunzioni aperte risultano da una quantità insufficiente di saldatura, o possibilmente dal sollevamento dei componenti durante la saldatura (vedi il tombstoning di seguito). A meno che non si utilizzi una lente di ingrandimento, alcune giunzioni aperte su un pad del PCB sono quasi impossibili da rilevare. Un controllo visivo indicherà se tutti i componenti montati in superficie sono saldati correttamente. Tuttavia, anche un piccolissimo spazio tra il terminale del componente e il pad di saldatura è sufficiente a impedire il corretto funzionamento dell'elettronica. Inoltre, uno stencil troppo sottile può anche causare il deposito di una minore quantità di pasta saldante e quindi le giunzioni aperte. Sebbene possano essere difficili da identificare visivamente, le giunzioni aperte generalmente mostrano un'alta resistenza con un DMM. Questo offre un modo semplice per verificare ciò che si sospetta essere una giunzione aperta.

3. Componenti SMD Flottanti

I componenti passanti possono essere tenuti in posizione dal loro stesso peso e dall'aggancio dei terminali che si inseriscono nei fori passanti. Questo non è il caso dei pad SMD; queste parti sostanzialmente si appoggiano sulla pasta saldante prima di passare nel riflusso. La quantità di pasta saldante sui pad e la differenza di temperatura attraverso i pad dei componenti possono portare a due problemi:

• Componenti flottanti che subiscono uno skew
• Insufficiente bagnatura su un pad, portando al tombstoning
• Vibrazione del PCB mentre passa nel riflusso

Se la saldatura si bagna su entrambi i lati del componente entro una differenza di tempo relativamente piccola, allora non dovremmo aspettarci componenti skew o tombstoning. Tuttavia, un eccesso di saldatura su un pad o una bagnatura non uniforme produrranno entrambi skew e/o tombstoning. Questo è noto per causare skew in passivi SMD, pin di testpoint, DPAKs, SOTs e altri pacchetti SMD piatti con un piccolo numero di piedini.

• Scopri di più su skew e altri difetti SMD

Spostamento di un componente a causa di scarsa bagnatura e bassa temperatura sui pad del componente. [Fonte].

Sebbene la possibilità di spostamenti dei componenti nell'assemblaggio dei PCB sia bassa, questi si verificano e sono solitamente evidenti all'occhio attento, eccetto con pacchetti come ball grid array (BGA) dove i piedini sono nella parte inferiore del componente. Un lavoro di rilavorazione per realineare il componente richiede la dissaldatura del componente e la sua risaldatura manuale. Questo può causare ulteriori problemi di qualità poiché il successo di queste operazioni dipende dalle competenze del tecnico. Gli spostamenti dei componenti sono solitamente causati da fattori fisici come piedini piegati o forti vibrazioni nel trasportatore.

4. Difetti Specifici dei BGA

I BGA possono presentare un proprio insieme specifico di difetti che possono sorgere durante la saldatura. Questi sono relativi alla temperatura di saldatura, alla quantità di pasta saldante stampata, all'evaporazione del flusso e al profilo di riflusso durante la saldatura. L'elenco dei difetti include:

• Effetto testa nel cuscino
• Umidificazione insufficiente
• Eccesso o insufficienza di pasta saldante
• Flusso residuo o contaminazione da flusso no-clean non polimerizzato sotto il BGA

Questi difetti possono portare a guasti intermittenti (in particolare effetto testa nel cuscino o umidificazione insufficiente) durante l'espansione termica o il ciclo termico. Questo potrebbe sembrare presentarsi come un guasto intermittente da tracce fratturate sotto l'interconnessione, ma in realtà si trova nella sfera di saldatura sopra il PCB. L'altro fattore qui riguarda la pulizia della regione di saldatura del BGA, dove la decomposizione del flusso non polimerizzato può verificarsi nel tempo, portando a potenziali ECM da componenti attivi nel flusso residuo, incluso nel flusso no-clean non polimerizzato. Questo problema con il flusso no-clean è una ragione per potenzialmente estendere il tempo di riflusso, o optare per una procedura di pulizia che possa rimuovere tutti i residui dal flusso no-clean.

Nei casi in cui i BGA non si saldano correttamente, sarà possibile notare solo difetti molto gravi come lo spostamento (galleggiamento) e il sollevamento dai pad. Questi difetti sono molto rari e, più spesso, non si noteranno i difetti più comuni senza un'ispezione a raggi X del BGA. L'ispezione a raggi X fornisce una visione diretta delle sfere di saldatura e consente l'identificazione di ponti di saldatura tra le sfere, head-in-pillow, eccesso di saldatura o saldatura insufficiente (interruzioni). Ancora più difficile da diagnosticare sono i guasti intermittenti causati da microvia-in-pad fratturati che vengono saldati alle sfere di saldatura del BGA; questo deve essere identificato nei test elettrici ed è una parte importante della affidabilità dei microvia.

5. Deformazione

La deformazione della scheda può verificarsi a causa di un design errato dello stackup o di fattori di processo durante l'assemblaggio. Quando la deformazione è eccessiva, la scheda potrebbe violare gli standard di piattezza (curvatura e torsione) sul PCB finito come specificato negli standard IPC. I valori tipici consentiti di deformazione (curvatura e torsione) sono inferiori all'1,5% per le schede solo con fori passanti, o inferiori allo 0,75% per le schede con componenti SMD. I vari fattori che causano la deformazione includono:Orientamento misto delle schede in un pannello:

• Grandi discrepanze di CTE e Tg nello stackup
• Stackup asimmetrici
• Passaggi ripetuti di riflusso e onda
• Deriva del profilo della temperatura del forno

Questo è tanto un problema di progettazione quanto di processo di assemblaggio. Le progettazioni ottimizzate per minimizzare i passaggi di riflusso elimineranno una fonte comune di deformazione delle PCB.

• Scopri di più sulla deformazione nell'assemblaggio delle PCB

Come individuare i difetti nell'assemblaggio delle PCB

Le aziende di assemblaggio PCB includono generalmente un livello minimo di attrezzature per mantenere gli strumenti, ispezionare le schede assemblate e eseguire la rilavorazione. I livelli di ispezione variano in base alla capacità della casa di assemblaggio, così come al livello di servizio fornito dalla casa di assemblaggio. Tuttavia, in generale, la casa di assemblaggio dovrebbe avere una o più delle seguenti capacità per ispezionare gli assemblaggi PCB alla ricerca di difetti.

1. Ispezione Visiva/Computer Vision

L'ispezione visiva può essere eseguita manualmente da un operatore di assemblaggio, ma più spesso questa è automatizzata e viene eseguita con un sistema automatizzato di ispezione ottica (AOI) specializzato. I sistemi AOI sono sistemi di visione artificiale che possono individuare errori di posizionamento, difetti di saldatura, interruzioni, danni superficiali e decolorazione che potrebbero essere dovuti a contaminazione. Qualsiasi difetto o sospetto difetto viene quindi segnalato a un operatore, che eseguirà un'ispezione visiva manuale.

Le ispezioni visive più avanzate rientrano in tre possibili aree:

• Scansioni visive assistite da apprendimento automatico, dove un computer
• Ispezione a raggi X, possibilmente assistita anche da apprendimento automatico
• Scansioni tomografiche computerizzate (CT), che producono un'immagine 3D dell'interno della scheda

Il costo dei sistemi AOI è diminuito e la maggior parte delle aziende di assemblaggio PCB avrà questi sistemi in dotazione. L'ispezione a raggi X sarà necessaria per il controllo di qualità nell'assemblaggio BGA. Infine, le scansioni CT applicate all'ispezione dei PCB rappresentano tra le modalità di ispezione visiva computerizzata più avanzate e non sono disponibili presso tutti i produttori. Non presumere quali capacità abbia il tuo assemblatore; assicurati che disponga delle capacità di cui hai bisogno per garantire che il tuo obiettivo di tasso di difetti possa essere raggiunto e che possano implementare le giuste procedure di controllo qualità per il tuo PCBA.

2. Test chimici di superficie

Se si guarda alla lista dei difetti sopra menzionati, si noterà che alcuni di questi sono relativi alla pulizia della PCB assemblata; in particolare, sono stati menzionati residui di flusso rimasti. L'ispezione visiva si concentra maggiormente su saldatura, posizionamento e difetti superficiali nel PCBA, ma possono essere eseguiti test chimici per identificare contaminazioni. Durante i processi di fabbricazione e assemblaggio delle PCB vengono utilizzate molte sostanze chimiche, e alcune di queste possono lasciare contaminanti che rappresentano una sfida per l'affidabilità a lungo termine della PCB assemblata. Alcuni dei test chimici standard per la pulizia e l'analisi della contaminazione includono:

• Resistenza dell'isolamento superficiale
• Cromatografia ionica
• Resistività dell'estratto solvente (ROSE)

Come progettista, puoi certamente stabilire requisiti di pulizia che ritieni accettabili, e questi possono essere inclusi nelle note sul tuo disegno di assemblaggio. L'altra opzione è dichiarare che la pulizia della scheda deve conformarsi a uno standard particolare, generalmente IPC-610 o IPC-J-STD-001. Se esiste qualche altro standard industriale rilevante che dovrebbe essere un obiettivo di conformità, allora questo dovrebbe essere specificato. Alcuni di questi obiettivi di conformità per pulizia e difetti possono essere trovati nelle industrie aerospaziali, automobilistiche e mediche.

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