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PCB Magazine n.3 - APRILE 2014
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n.3
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EDITORIALE ◀
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Stampare
in tre dimensioni
Una cosa che sicuramente non rischia chi opera nel
campo dell’elettronica è l’eventualità di cadere nella
noia della routine. Le novità di cui si tratta nel nostro
settore sono continue, siano esse legate alla scoperta di
nuovi materiali, sia per le applicazioni tecnologiche che
vengono di continuo perfezionate in ambito produttivo,
sia – ancora – per le possibili ricadute sui più disparati
campi della vita quotidiana.
Nell’editoriale di marzo avevo accennato a un materiale, il grafene, che sta suscitando un interesse sempre
maggiore fra gli specialisti, soprattutto per quelle che
saranno le sue applicazioni nel mondo della produzione elettronica. Si tratta di un materiale abbastanza
complesso da produrre che, per il momento, necessita di
investimenti importanti in attrezzature e impianti,
tanto da renderlo un argomento interessante solo per
poche aziende con disponibilità economiche elevate e a
un certo livello di preparazione tecnologica.
Una nuova tecnologia, che invece sembrerebbe più
facilmente adottabile anche da realtà meno economicamente dotate e di cui si sta trattando in modo sempre
più ossessivo negli ultimi tempi, è sicuramente la stampa
tridimensionale. Non è un argomento nuovo: se ne parla
dalla fine degli anni ’80, quando Chuck Hull, fondatore della 3D Systems, e Scott Crump della Stratasys,
brevettarono rispettivamente la prima macchina per
stereolitografia laser (1986) e la tecnologia della modellazione a deposizione fusa (1989). Da quel momento
(con fasi alterne d’interesse durante gli anni novanta e
il primo decennio del 2000) si è parlato a più riprese di
questa tecnologia, che oggi vanta un giro d’affari di 1,5
miliardi di dollari e che – secondo le previsioni – arri-
verà a toccare fatturati prossimi ai 4 miliardi di dollari
nel 2025.
Al momento i settori di maggiore impiego sono le
applicazioni odontoiatriche e medicali, le modellazioni
prototipali e le produzioni nel settore della gioelleria e
del design artistico, ma c’è anche chi lascia intravedere
applicazioni vicine al mondo dell’elettronica. Secondo
una recente analisi di IDTechEx (3D Printing 20142025: Technologies, Markets, Players) il settore
aerospaziale/difesa e quello automotive saranno negli
anni gli ambiti più promettenti per questa tecnologia
di stampa. E quando si parla di militari, automobili e
aeroplani, si sa, si parla anche di elettronica.
Per chi fosse interessato, consiglio vivamente una puntata al 3D printing LIVE!, un convegno che si terrà
a Berlino l’1 e 2 di aprile e che verrà replicato il 19 e
20 novembre a Santa Clara (CA), in cui si parlerà di
stampa 3D: dalle applicazioni pratiche ai mercati di
sbocco, dai nuovi processi di stampa alle potenzialità di
sviluppo tecnologico e di investimento economico.
Molte aziende si stanno già muovendo in questa direzione: gli incroci tecnologici che, nel futuro, riguarderanno da vicino il mondo della produzione elettronica,
si vedono già all’orizzonte.
La stampa 3D è un argomento che sarà dunque il caso
di seguire con attenzione, perché nel prossimo futuro
sarà sicuramente la base per opportunità e sviluppi
economici importanti per il nostro settore.
PCB
aprile 2014
5
▶ SOMMARIO - APRILE 2014
IN COPERTINA
agenda
(Photo courtesy of MYDATA automation AB)
Eventi/Piano editoriale ___________________
a cura della redazione
ultimissime
C.S. e dintorni __________________________
a cura della Redazione
Cabiotec compie vent’anni ________________
Cabiotec srl
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20125 Milano
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PCB
12
storia di copertina
NUOVA SERIE MYDATA
MY200: UN CUORE DOPPIO
Il cuore della piattaforma MY200 è
una nuova testa multipla Hydra e un
nuovo sistema di visione. Migliora
ulteriormente la precisione di
montaggio che scende a 30 micron
@3 Sigma o 50 micron con Cpk
1.33 oltre ad aumentare la gamma di
componenti prelevabili con la testa
multipla. Grazie a tre diverse fonti
di illuminazione, il nuovo sistema
di visione ad alta velocità, in grado
di generare 50.000 immagini/sec.,
garantisce la massima qualità delle
immagini anche in condizioni di
luce ambientale non ideali o con
componenti complessi. Il vantaggio
è l’aumento della velocità della
linea e un’importante riduzione del
rischio di falsi scarti e di errori nella
produzione.
6
10
aprile 2014
16
attualità
XVI Convegno Nazionale ESD ____________
di Martina Brusa, Giuseppe Vittori
e Giuseppe Angelo Reina
18
La tecnologia che non paga il pedaggio ______
di Giuseppe Goglio
22
speciale
Il lavaggio
La tecnologia di lavaggio _________________
di Dario Gozzi
26
Oltre i limiti dell’udito ___________________
di Dario Gozzi
30
Regole di affidabilità _____________________
di Michael Konrad
34
Tecnologie di cleaning. Tendenze e sviluppi ___
di Jade Bridges e Amanda Stuart
38
Il processo di pulizia con Flip Chip
a ridotto standoff________________________
di Mike Bixenman, Jason Chan e Phil Zhang
42
Anno 28 - Numero 3 - aprile 2014
www.elettronicanews.it
DIRETTORE RESPONSABILE: Giuseppe Nardella
REDAZIONE:
Riccardo Busetto (Responsabile di Redazione)
speciale prodotti
Etichette resistenti a lavaggi estremi_________
a cura dell’Ufficio tecnico Brady
49
Lavaggio accurato per prodotti affidabili _____
di Paolo Paolucci
52
Impianto “ibrido” per il lavaggio di schede
elettroniche ____________________________
di Giampaolo Rossi
54
tecnologie
Flip Chip e stacked die ___________________
di Piero Bianchi
56
CONSULENTE TECNICO: Dario Gozzi
UFFICIO GRAFICO: Elisabetta Delfini (coordinatore), Elisabetta Buda,
Patrizia Cavallotti, Elena Fusari, Laura Itolli, Silvia Lazzaretti, Luciano Martegani,
Cristina Negri, Diego Poletti, Luca Rovelli
SEGRETERIA DI REDAZIONE NEW BUSINESS MEDIA:
Anna Alberti, Donatella Cavallo, Gabriella Crotti, Rita Galimberti,
Laura Marinoni Marabelli, Paola Melis, Elena Palazzolo,
Katia Simeone, Caterina Zanni
[email protected]
COLLABORATORI: Piero Bianchi, Mike Bixenman, Jade Bridges, Mike Brojak,
Martina Brusa, Jason Chan, Vasily Ershov, Giuseppe Goglio, Massimiliano Luce,
Michael Konrad, Davide Oltolina, Paolo Paolucci, Giuseppe Angelo Reina,
Giampaolo Rossi, Amanda Stuart, Giuseppe Vittori, Henry J. Zhang
PROPRIETARIO ED EDITORE: New Business Media srl
SEDE LEGALE E OPERATIVA:
Via Eritrea, 21 - 20157 Milano - Tel. +39 02 3909.0
progettazione
Soluzioni per l’integrità di segnale __________
(prima parte)
di Vasily Ershov
60
UFFICIO TRAFFICO E PUBBLICITÀ: [email protected]
nano & printed electronics
Nanofogli e crescita epitassiale _____________
a cura dell’International Center for Material
Nanoarchitectonics
64
oltre i pcb
Regolatori lineari e alimentatori in modalità
switching ______________________________
di Henry J. Zhang
(terza parte)
66
produzione
Scintille pericolose ______________________
di Dario Gozzi
74
I principali difetti in rifusione ______________
di Davide Oltolina
78
aziende & prodotti
Più efficienza con la release 6.0_____________
di Mike Brojak
PCB
aprile 2014
7
81
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Attivo tutti i giorni, per informazioni sullo stato
del proprio abbonamento e per supporto ai nuovi ordini
Registrazione Tribunale di Milano n. 148 del 19/3/1994
ROC n. 24344 del 11 marzo 2014
ASSOCIATO A:
Responsabilità: la riproduzione delle illustrazioni e articoli pubblicati dalla rivista, nonché la loro traduzione è
riservata e non può avvenire senza espressa autorizzazione della Casa Editrice. I manoscritti e le illustrazioni inviati
alla redazione non saranno restituiti, anche se non pubblicati e la Casa Editrice non si assume responsabilità per
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contenuti negli articoli pubblicati o di errori in cui fosse incorsa nella loro riproduzione sulla rivista.
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e utilizzati esclusivamente ai fini commerciali e promozionali della nostra attività. I Suoi dati potranno essere altresì
comunicati a soggetti terzi per i quali la conoscenza dei Suoi dati risulti necessaria o comunque funzionale allo
svolgimento dell’attività della nostra Società. Il titolare del trattamento è: New Business Media Srl, Via Eritrea 21,
20157 Milano. Al titolare del trattamento Lei potrà rivolgersi al numero 02/3909.0349 per far valere i Suoi diritti di
retificazione, cancellazione, opposizione a particolari trattamenti dei propri dati, esplicitati all’art. 7 D.Lgs 196/03.
▶ SI PARLA DI - LE AZIENDE CITATE
Azienda
pag.
A Aqueous Technologies _________________37
B
C
D
E
F
G
H
I
K
L
M
N
P
Q
R
S
T
V
Y
Z
8
PCB
Alica Service _______________________22-24
Allied Electronics ______________________81
Asscon _______________________________17
Blackberry ____________________________35
Brady _____________________________49-51
Cabiotec __________________________16-17
CEI – Comitato elettrotecnico Italiano __ 18,
20-21
Conceptronic _________________________16
Dek __________________________________17
El.Bo Service _______________________19-21
Electrolube ________________________39,41
Forbo ________________________________20
Gravotech Group______________________14
Humiseal _____________________________17
IBM __________________________________56
Infoweb ______________________________22
i-tronik ___________________________ 21, 53
Kester ________________________________17
Kyzen ____________________________ 48, 50
Linear Technology___________ 66-67, 70-72
Magna Electronics__________________18-20
Mancini Enterprise ____________________21
Mapei ________________________________20
MB Elettronica ________________________19
MEG ______________________________54-55
Mentor Graphics _______________ 12, 60, 62
Mydata Automation___________________16
Nordson Dage ________________________17
Packtronic ____________________________48
PBT Rožnov ________________________52-53
Power One ___________________________18
Proxima ______________________________14
PVA __________________________________17
Qtek _________________________________17
RS Components ________________ 12, 81-82
Scatolificio Crippa _____________________21
Schaffner _____________________________12
Seica _________________________________14
Sivit __________________________________20
Technifor _____________________________14
Vitronics Soltec _______________________14
Yamaha ______________________________21
Zestron_______________________________50
aprile 2014
Inserzionisti
pag.
A
APEX TOOL ...........................................................13
AREL .......................................................................77
C
CABIOTEC..........................................................I cop.
E
EL.BO SERVICE .......................................................63
ELECTRONIC CENTER .............................................12
I
ITECO TRADING .....................................................65
I-TRONIK ..................................................................9
M
MEG........................................................................37
O
OSAI ............................................................... IV cop.
P
PACKTRONIC .......................................................3-15
PHOENIX CONTACT ...............................................25
R
RS COMPONENTS ............................................II cop.
S
STE.AL.TECH...........................................................11
T
TECNOLAB ...............................................................4
W
WIN TEK ..........................................................III cop.
▶ AGENDA - FIERE E CONVEGNI
Data e luogo
10
PCB
Evento
Segreteria
1-2 aprile
Berlino
Germania
Internet of Things and WSN
Europe 2014
IDTechEx Ltd
Downing Park - Station Road - Swaffham Bulbeck
Cambridge CB25 0NW - Regno Unito
Tel: + 4 (0) 1223 81.23.00 - Fax: +44 (0) 1223 81.24.00
Email: [email protected]
1-4 aprile
Berlino
Germania
Printed Electronics Europe
2014
IDTechEx Ltd
Downing Park - Station Road - Swaffham Bulbeck
Cambridge CB25 0NW - Regno Unito
Tel.: +44 (0) 1223 81.23.00 - Fax: +44 (0) 1223 81.24.00
Email: [email protected]
8-10 aprile
Penang
Malesia
South East Asia Technical
Conference on Electronics
Assembly
SMTA Headquarters
5200 Willson Road, Suite 215
Edina, MN 55424 - USA
Tel. +1 952 92.07.682 - Fax +1 952 92.61.819
23-25 aprile
San Francisco, CA
USA
Smart Fabrics & Wearable
Technology 2014
Smithers Apex
19 Northbrook Dr, Falmouth, ME 04105 - USA
Tel.: +1 (207) 78.19.800
23-25 aprile
Shanghai
Cina
Nepcon China 2014
Reed Exhibitions Shanghai Branch
42F, Intercontinental Center
100 Yutong Road, Zhabei District,
Shanghai 200070 - Cina
Tel: +86 21 22.31.70.16 - Fax: +86 21 22.31.71.81
[email protected]
Piano editoriale 2014
Editorial plan 2014
Gen.-Feb.
Marzo
Aprile
Maggio
Giugno
Lug.-Ago.
Settembre
Ottobre
Novembre
Dicembre
Jan.-Feb.
March
April
May
June
Jul.-Aug.
September
October
November
December
Ispezione AOI, AXI e SPI
Serigrafia
Lavaggio
Speciale SMT Hybrid Packaging 2014
Strumentazione da laboratorio
Sistemi di marcatura e tracciabilità
Attrezzature per la produzione
Pick & Place
Automotive
Rework
AOI, AXI and SPI test
Screen printing
Cleaning
SMT Hybrid Packaging 2014 Special Issue
Instruments
Traceability
Production Tools
Pick & Place
Automotive
Rework
Speciali
Special
Guida all’acquisto 2014-2015
La pratica pubblicazione annuale di PCB Magazine che
raccoglie in un unico prodotto tutti i dati delle aziende che, in
Italia, operano nel settore della produzione, della distribuzione
elettronica e dei circuiti stampati.
Buyers’ Directory 2014-2015
The PCB Magazine special guide that provide essential
information on companies that operate in Italy in electronics
field and pcb manufacturing.
Focus
Focus ESD, Componentistica e assemblaggio, Circuiti stampati –
lo stato dell’arte.
Focus
ESD, Assembly & Electronic Components, the PCB State of
the Art
aprile 2014
▶ ULTIMISSIME - C.S. E DINTORNI
a cura della Redazione
Shaffner nomina RS
“Distributor of the Year”
nell’anno 2013
Xpedition per
la progettazione
dei pcb complessi
S
N
chaffner, una delle
principali aziende
produttrici di componenti
EMC/EMI, magnetici
e di filtri armonici, ha
nominato RS Components
‘Distributor of the Year
2013’. Il premio testimonia
l’impegno profuso dal team
di specialisti di RS, che
hanno lavorato a stretto
contatto con Schaffner
per ottenere importanti
risultati di crescita per
questo marchio nel corso
degli ultimi dodici mesi.
I componenti Schaffner
sono utilizzati negli
azionamenti e nei sistemi
di controllo motore
ad alto rendimento
energetico, nelle centrali
di produzione di energia
eolica e fotovoltaica, in
ambito ferroviario, nei
settori delle machine
utensili e della robotica,
nonché all’interno degli
alimentatori utilizzati
in numerosi prodotti
elettronici destinati a
vari settori applicativi,
dal biomedicale alle
telecomunicazioni. RS ha
al momento in magazzino
circa 600 prodotti della
gamma Schaffner.
RS Components
rswww.it
/DTXDOLWj
VRSUDDWXWWR
$OFXQLGHLSULQFLSDOLPDUFKLGDQRLGLVWULEXLWL
$]LHQGD
FRQ6LVWHPD4XDOLWj
&HUWLÀFDWR
81,(1,62
9LD&DQDOHWWR6XG02'(1$7HO)D[
KWWSZZZHOHFWURQLFFHQWHULWLQIR#HOHFWURQLFFHQWHULW
el corso di una
conference call
internazionale il 17 marzo,
Mentor Graphics ha
annunciato la prima fase
del lancio di una nuova
piattaforma denominata
Xpedition. La piattaforma
è stata progettata per
affrontare le sfide connesse
alla progettazione dei pcb
di maggiore complessità,
per gestire direttamente
i team di sviluppo
distribuiti e per adattarsi
facilmente ai requisiti di
progettazione legati alle
caratteristiche del sistema.
La piattaforma Xpedition,
per mezzo di un ambiente
di sviluppo intuitivo e per
le capacità di automazione
controllabili dall’utente,
è in grado di gestire le
crescenti responsabilità
dei progettisti (anche in
organizzazioni globali,
formate da numerosi team
di sviluppo), consentendo
agli utenti più esperti di
esprimersi ai massimi
livelli, ottimizzandone la
produttività globale.
Così come dichiarato da
Henry Potts, Vice President
e General Manager della
Systems Design Division
di Mentor Graphics, “la
piattaforma Xpedition
costituisce il prodotto
più significativo da noi
realizzato negli ultimi anni:
è il risultato del nostro
impegno e la nostra risposta
ai suggerimenti ricevuti
dai clienti, che si sono
concretizzati con il rilascio
della soluzione più avanzata
del settore. I primi riscontri
da parte dei clienti sono
gratificanti e confermano sia
la semplicità di adozione sia
l’unicità delle innovazioni
introdotte in questa
soluzione”.
Un’accurata pianificazione
del piazzamento, orientata
alle prestazioni e al riutilizzo,
un efficiente sbroglio di
topologie dense e complesse,
l’ottimizzazione elettromeccanica sono alcuni
dei vantaggi offerti dalla
piattaforma Xpedition.
Fra le varie funzionalità
presenti nella piattaforma
la più interessante è
senz’altro Sketch Router,
che assicura al progettista
un controllo completo e
interattivo sul processo di
sbroglio automatico/assistito,
generando risultati di qualità
pari a quelli di uno sbroglio
manuale, ma in tempi
decisamente inferiori.
Mentor Graphics
www.mentor.com/pcb/
xpedition/
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VDOGDWXUHGLTXDOLW½
,OJLXQWRGL VDOGDWXUDSHUIHWWR
(VWUHPDPHQWH
FRQYHQLHQWH Solo le punte originali
Weller si accoppiano
perfettamente ai suoi
elementi riscaldanti e ai
sensori, formando sistemi
omogenei che garantiscono
un‘ottimale trasmissione del
calore al giunto di saldatura
per garantire la massima
qualità nella lavorazione.
Un apporto termico
rapido e stabile garantisce un
processo di saldatura ripetibile
con un aumento della
produttività fino al 50%!
Aumento produttività
Con le punte HS il trasferimento di calore avviene più
rapidamente, fino a due volte
la velocità delle punte
standard.
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VRORFRQTXHOOH
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l‘anima in argento, che è
tra i migliori conduttori di
calore, inserita nelle resistenze
prodotte da Weller, velocizza
il trasferimento termico verso
la punta
Garanzia del produttore
Si può godere della garanzia
Weller SOLO usando parti
originali Weller.
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e robotiche ma anche per diminuire i costi operativi ed aumentare la produttività.
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ĚŝŵƉĞdžͲEͲϬϳϭϳϮϭϬϵϭͻĂƌďŝĞƌŝͲdKͲϬϭϮϱϮϯϬϯϰϭͻΘů͘Ͳ'ͲϬϯϱϭϵϵϱϱϬϭϭͻŝƐĐŽů͘Ͳ&ŝͲϬϱϱϯϱϮϴϲϱͻŝƐƚĞŬͲEͲϬϴϭϲϲϮϬϭϲ
>KͲdsͲϬϰϯϴϰϱϳϮϭϳͻůĞĐƚƌŽŶŝĐĞŶƚĞƌDKͲϬϱϵϯϭϲϮϭϭϭͻůĞĐƚƌŽŶŝĐWŽŝŶƚͲZDͲϬϲϱϱϬϬϮϭϴͻ>͘D/ͲD/ͲϬϮϮϲϵϰϭϭͻ'ĂƌĚĞůůĂů͘Ͳ'ͲϬϭϬϴϰϭϰϭ
>ĂdĞĐŶŝŬĂĚƵĞͲdKͲϬϭϭϮϰϮϱϵϬϱͻZ^ŽŵƉŽŶĞŶƚƐͲD/ͲϬϮϲϲϬϱϴϭͻdĞĐŚŶŽůĂƐĂͲͲϬϰϳϭϯϬϱϰϬϬͻdĞĐŶŝŬĂĚƵĞͲD/ͲϬϮϵϱϵϱϵϯϭͻsĂůĐŚŝĂŶͲWͲϬϰϵϳϬϲϱϬϬ
Luce verde per Technifor
T
echnifor, azienda
italiana specializzata
nella marcatura per la
tracciabilità, presenta il
suo nuovo laser verde
denominato TG400.
Questa nuovo laser, con
una lunghezza d'onda
di 532 nm, permette di
marcare materiali che non
possono essere marcati con
le soluzioni laser classiche
(ad infrarosso) quali laser
Yag, fibra o CO2.
Grazie a questa soluzione,
Technifor è in grado di
rispondere alle esigenze
di mercati specifici come
il medicale, l'elettronica,
l'elettricità e la plasturgia,
per non citarne che alcuni.
Con il nuovo sistema è
infatti possibile marcare
materiali come il silicone,
i metalli riflettenti (rame,
argento, oro, ecc.), i circuiti
stampati, la ceramica e vari
tipi di plastica.
Il software che pilota
il laser verde TG400,
sviluppato da Gravotech
Group, permette in modo
intuitivo ed efficace di
Accordo di distribuzione per l’Italia
tra SEICA e Vitronics Soltec
S
EICA S.p.A.
annuncia una nuova
collaborazione con
Vitronics Soltec, azienda
Olandese specializzata
nel settore della saldatura
per schede elettroniche,
con la quale ha stabilito, a
partire da febbraio 2014,
un accordo esclusivo
per la distribuzione sul
territorio nazionale.
Anche per la vendita
dei sistemi Vitronics
Soltec, Seica si avvarrà
del supporto commerciale
della consociata
PROXIMA S.r.l.
Antonio Grassino,
Presidente di Seica S.p.A.,
ha dichiarato: “Siamo lieti
di lavorare con un’azienda
di così alto profilo come
Vitronics Soltec la cui
gamma di sistemi di
saldatura a onda, saldatura
per rifusione e saldatura
selettiva è famosa per
l’affidabilità e la tecnologia
all’avanguardia. È nostro
interesse rappresentare
aziende di alta qualità e
Vitronics Soltec ne è un
esempio tipico.”
Seica S.p.A. sarà
responsabile esclusivo,
in Italia, delle vendite,
dell’assistenza e delle
parti di ricambio per tutta
la gamma di prodotti
Vitronics Soltec.
Nel dare l’annuncio,
Wim Schouten, Direttore
identificare e rintracciare
tutti i tipi di produzione.
Technifor
www.technifor.it
Vendite di zona per
Vitronics Soltec ha
dichiarato: “Questo è
un passo importante
per la continuità e
l’affidabilità della presenza
di Vitronics Soltec in
Italia. Seica S.p.A. offre
al mercato italiano una
gamma di prodotti
per apparecchiature di
collaudo di prim’ordine
e vanta un team
professionale ed
esperto, orientato alla
soddisfazione del cliente
nel tempo. Questo
modo di operare si sposa
perfettamente con la
filosofia di Vitronics
Soltec e con il modo
di operare con i nostri
clienti. Non vediamo l’ora
di lavorare con Seica in
Italia, in un rapporto di
collaborazione stabile nel
tempo.”
Seica
www.seica.com
www.vitronics-soltec.com
14
PCB
aprile 2014
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PCB
aprile 2014
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PCB
aprile 2014
17
▶ ATTUALITÀ – FORUM ESD
XVI Convegno
Nazionale Esd
La XVI edizione del Convegno nazionale ESD, organizzato dal Team
Nazionale ESD e coordinato da CEI-Comitato Elettrotecnico Italiano,
Magna Electronics, Power One e Università di Genova, si terrà il 28
maggio p.v. presso la Tenuta 5 Frecce a Campiglione Fenile (TO)
di Martina Brusa, Giuseppe Vittori e Giuseppe Angelo Reina*
D
opo diversi lustri di programmazione e, in particolare,
dopo il successo dell’edizione 2013 tenutasi a Cavriglia presso il
Borgo di Fontebussi (AR), l’appuntamento annuale con i temi correlati ai
fenomeni elettrostatici è ormai considerato da operatori ed esperti del
settore come un evento fondamentale,
che consente di tenersi aggiornati sui
trend e sulle ultime novità in ambito
tecnologico e normativo.
Come sempre, il Convegno si pone come obiettivo la divulgazione della cultura ESD, ma vuole anche stimolare e sensibilizzare i settori e le
aziende coinvolte nella gestione di
eventi ESD.
La giornata
Durante la giornata verranno analizzati i criteri inerenti la protezione
passiva ed attiva unitamente agli ele-
Foto 1 - “Le 5 frecce” a Campiglione Fenile (TO), sede della possima edizione del
Convegno Nazionale ESD. Particolare interno della sede del rconvegno
18
PCB
aprile 2014
menti tecnici ed amministrativi contenuti in un “programma ESD” senza
trascurare i diversi impatti legati alla notevole accelerazione tecnologica
avvenuta negli ultimi anni. Un tema
di sicuro interesse riguarderà gli elementi e criteri legati alla progettazione, tra i quali verranno approfondite le criticità e i requisiti in ambiente ferroviario.
Ulteriori interventi tratteranno l’importanza dei requisiti ESD
in applicazioni automatiche e nella movimentazione oltre a focalizzare le soglie di sensibilità dei componenti attraverso i modelli definiti
dalle normative; in aggiunta saranno
considerati aspetti legati alla gestione dei componenti MSD (Moisture
Sensitive Devices).
Come tradizione, al termine della
giornata, è prevista una “tavola rotonda” durante la quale verranno ripresi gli argomenti più interessanti
emersi nel corso degli interventi; sarà
poi possibile visitare il sito produttivo
Magna Electronics di Campiglione
Fenile.
Magna Electronics, un’azienda
(Foto cortesia Vossloh-Schwabe)
Foto 2 - Overstress ESD su LED
leader mondiale in ambito automotive, appartiene integralmente al gruppo austro-canadese Magna
International ed è specializzata nella
fornitura di Smart Actuators e sistemi
elettronici innovativi con stabilimenti
di produzione e centri di progettazione situati in tutto il mondo.
La partecipazione al Convegno è
gratuita fino a esaurimento dei posti
disponibili. Di seguito una breve sintesi degli interventi previsti.
TREND TECNOLOGICI
ESD Models
di G.A. Reina e L. Gnisci, ELBO – R.
Teppa, Magna Electronics
I componenti sensibili a ESD possono essere stressati da diverse tipi di
scarica e attraverso vari livelli di energia (MIE); oltre al modello umano
(HBM), il CDM (Charged Device
Model) e MM (Machine Model). I
criteri da adottare devono necessariamente indirizzati a garantire il collegamento equipotenziale in linea con le
prescrizioni della normativa CEI-EN
61350-5-1 ma anche alla gestione degli isolanti di processo che possono essere intimi oppure prossimi a componenti e assiemi ESDs.
tra le normative Ferroviarie ed normative ESD. Valutazione impatto rischi ESD in un prodotto complesso
come il treno. Soluzioni adottate.
Elettrostatica: sviluppi
nelle applicazioni del tipo
“Lab on Chip”
Bilanciamenti fatali:
l’evoluzione tecnologica e
la protezione ESD. Proiezioni
su un futuro incerto
di G. Coletti, Università di Genova
Elementi di base per inquadrare il
ruolo dell’elettrostatica nelle applicazioni “Lab on Chip” su scala micrometrica. Si prevede (ricerche Europee)
un forte sviluppo delle applicazioni nel
settore delle biotecnologie. Si prevede altresì che entro breve tempo alcune direttrici di tale sviluppo forniscano
prodotti “commerciali”.
Implicazioni ESD nel
progetto di un prodotto
ferroviario
di M. Morandi e G. Barengo – MB
Elettronica
Sviluppo di un progetto di un prodotto ferroviario con Studi e Prove
ESD effettuate. Analisi e confronto
di R. Busetto e D. Gozzi – PCB
Magazine
Le tendenze tecnologiche dell’industria dei semiconduttori determinano variazioni continue nell’attenzione di chi opera in relazione ai fenomeni ESD. Seguendo le ultime indicazioni dell’ESDA, l’intervento analizzerà le limitazioni che saranno imposte nel futuro alle attività di protezione dei dispositivi elettronici, in virtù dei requisiti di efficienza imposti
dalla incessante evoluzione tecnologica. L’analisi sottolineerà l’importanza
di una continua crescita dell’attenzione per fenomeni che, economicamente, possono diventare estremamente
dispendiosi se non vengono risolti in
tempo in modo radicale.
PCB
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19
Foto 3 – Lo stabilimento di Magna Electronics a Campiglione Fenile (TO). Magna
Electronics sarà uno dei main sponsor del Convegno Nazionale ESD
NORMAZIONE
Lo sviluppo delle normative
di G. Vittori – CEI
Le attività tecniche, produttive,
commerciali inerenti la realizzazione
e l’utilizzo di sistemi, prodotti ed apparecchiature sono sempre più governate e regolate da norme tecniche.
Conoscere quali sono motivazioni ed obiettivi all’origine di tali norme e con quali meccanismi e processi esse sono state realizzate può essere
non solo interessante, ma molto utile
per un uso corretto e consapevole delle stesse e per attribuire ad esse il giusto valore.
Nell’intervento verranno quindi
presentati le modalità organizzative,
le risorse, le regole ed i meccanismi
che stanno alla base dello studio, preparazione, diffusione e manutenzione
della normativa, sottolineando quali
sono le possibilità di intervento e gli
obblighi dei Comitati Nazionali.
Particolare attenzione verrà dedicata alle ragioni e motivazioni che innescano i progetti normativi, eviden-
20
PCB
aprile 2014
ziando che le norme tecniche si originano non solo da ragioni tecniche e
prestazionali ma sempre più frequentemente da motivazioni sociali, ecologiche e politiche.
PROTEZIONE PASSIVA
Pavimentazioni resinose
in ambienti ESD.
Riqualificazione di supporti
difficili
di D. Dinoia – Sivit
Requisito fondamentale per un pavimento nell’industria elettronica, è la
capacità di dissipare le cariche elettrostatiche che possono generarsi durante il processo produttivo. Ma anche in altri contesti lavorativi quali
sale operatorie, laboratori di diagnostica, Centri Elaborazione Dati, linee
di montaggio e magazzini di prodotti
elettronici e/o infiammabili, zuccherifici, laboratori chimici,la caratteristica
di scaricare attraverso punti di messa a terra, è una caratteristica fondamentale.
Per questi ambienti, SIVIT ha
messo a punto una linea di formulati resinosi e di cicli specifici destinati alla realizzazione di pavimenti e rivestimenti statico dissipativi, in modo
di preservare al meglio gli ambienti ed
i processi produttivi.
Le pavimentazioni in resina permettono di trattare superfici di ogni genere e metratura,sia
nuove che fortemente degradate conferendo qualità di resistenza
meccanica,all’usura,agli agenti chimici e aggressivi,impermeabilità e proprietà antiscivolo, il tutto con un’ottima valenza estetica.
La memoria illustra la rigenerazione di supporti difficili quali piastrelle
e calcestruzzi degradati, anche in presenza di umidità di risalita capillare
dal terreno.
Progettazione e realizzazione
di pavimentazioni ESD
di P. Di Silvestro - Mapei, D. Carotenuto
– Forbo e G.A. Reina – EL.BO.
Il pavimento ESD, oltre a garantire le irrinunciabili caratteristiche
di resistenza meccanica, di durata di,
comfort e pulizia deve necessariamente assicurare l’abbattimento delle cariche ESD potenzialmente residenti sui conduttori con i quali viene in contatto; inoltre dovrà evidenziare attitudine a minimizzare la generazione di cariche ESD. I pavimenti resilienti sono decisamente in grado di offrire una efficace “Protezione Passiva” .La resistenza
elettrica di questi pavimenti consente una elevata capacità di dissipazione delle cariche elettriche. Il buon esito della installazione dipende dall’impiego di prodotti validi e garantiti, ma
anche dalla qualità della posa in opera; in sunto, gli accorgimenti e “regole”
esecutive tassativamente necessarie a
garanzia della funzionalità e della durata nel tempo di un buon pavimento
ESD, si possono così riassumere: 1) l’adozione di un’efficace e durevole barriera di isolamento del supporto dallo strato sottostante: essa
è fondamentale quando il massetto
portante è realizzato su di un sottofondo non isolato dal terreno o
su un sottofondo contenente prodotti di alleggerimento, perché deve impedire il passaggio di umidità dagli strati sottostanti. Quando
il massetto poggia su una struttura
portante, evita, inoltre, che i movimenti della struttura interferiscano con il pavimento.
2) l’esecuzione di un supporto di
consistenza e spessore adeguati ai carichi sia statici che dinamici cui il pavimento sarà sottoposto.
Normalmente tale supporto è costituito da un massetto in calcestruzzo, di spessore costante (non
inferiore a 4 - 5 cm), con una classe di resistenza adeguata al carico che dovrà sopportare (almeno
Rck 25). Esso dovrà essere asciutto (con umidità residua ≤ 2%) e
con superficie liscia, solida e compatta. Eventuali operazioni di rettifica della planarità dovranno essere eseguite con prodotti cementizi di uguale resistenza meccanica.
3) l’utilizzo di un adesivo di elevate e
durevoli prestazioni meccaniche e
conduttive: la continuità del collegamento del pavimento conduttivo verso terra deve essere garantita da adesivi conduttivi la cui bassa resistenza ohmica (nell’ordine
dei 5x104 ÷ 1,5x105) deve rimanere costante nel tempo, senza influire negativamente sulla sua capacità adesiva, che dovrà essere elevata
(≥ 1 N/mm).
4) un efficace collegamento verso nodi equipotenziali “specifici”: l’intero sistema dovrà essere stabilmente ed efficacemente collegato con
un nodo equipotenziale (punto di
terra).
Resta inteso che la valutazione di
tutti questi parametri consente di garantire la protezione ESD in ambienti
esposti a eventi elettrostatici.
EQUIPMENTS
Applicazioni MSD - L’impatto
dell’umidità nei processi
conduttivi
di M. Mattei – i-tronik
A livello di lavorazione e di produzione, la sensibilità verso problematiche ESD è da tempo sempre più
accentuata. La sempre crescente miniaturizzazione nella componentistica elettronica e il lancio di nuovi materiali con cui le macchine di assemblaggio e lavorazione devono operare
implicano una forte attenzione verso
i fenomeni ESD rendendo la gestione e il trattamento della componentistica un elemento sempre più critico per quanto riguarda l’affidabilità di prodotto nella produzione e
nell’assemblaggio del settore elettronico. In più la diminuzione dei volumi produttivi, unitamente all’aumento delle diverse tipologie di prodotti da assemblare portano gli operatori delle linee SMT a effettuare innumerevoli set-up durante la giornata,
facendo abbassare il rendimento delle linee produttive.
L’armadio automatico modulare istorage cube è la soluzione a tutto ciò,
essendo in grado di organizzare i prelievi di componenti senza errori, senza perdite di tempo e senza l’ausilio
del magazziniere. E’ dunque la soluzione ideale per eliminare tutti gli
sprechi di tempo e i possibili errori di prelievo in fase di preparazione
commessa, rende più ordinato il reparto produttivo, e consente di avere l’inventario sempre aggiornato e
mantiene il materiale immagazzinato al sicuro dalle scariche elettrostatiche grazie alla struttura interna realizzata interamente in metallo.
La protezione ESD
nelle Macchine pick & place:
Influenza dei nuovi
componenti
di L. Mancini - Mancini Enterprise Yamaha
Nel lavoro viene analizzato dal costruttore le metodologie di protezione ESD nei macchinari per il posizionamento dei componenti SMD
con riferimento alla costruzione e
manutenzione delle stesse. Poi si
passera a vedere l’influenza che la
protezione ESD ha sui nuovi componenti: LED , componenti molto
piccoli 0201, 01005.
Qui non si tratta piu solo di un
aspetto di protezione ESD ma vedremo come i fenomeni ESD possono influenzare le performance
delle apparecchiature influenzando i
PPM dei componenti non prelevati
dai feeder e pertanto le performance di linea.
La movimentazione di
componenti e prodotti ESD:
criteri di scelta e selezione
di L. Crippa – Scatolificio Crippa e G.A.
Reina – EL.BO.
La movimentazione di prodotti e
componenti sensibili a ESD è una fase
molto critica nella “supply chain”; a tal
proposito lo stds CEI-EN-61340-5-3
stabilisce proprietà e requisiti degli imballi ESD. Nella progettazione e selezione degli stessi diviene necessario considerare la applicazione in ottica EPA “ESD protected Area” e UPA
“Un-protected ESD Area” senza trascurare l’impatto ambientale, la durata e l’impiego: processi automatici oppure manuali.
*M. Brusa e G. Vittori, Comitato
Elettrotecnico Italiano – G.A. Reina, EL.BO Service
www.esditaly.com
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▶ ATTUALITÀ - PROVINCE E INNOVAZIONE
La tecnologia che
non paga pedaggio
Applicando soluzioni RFiD ai sistemi di
pagamento dei posteggi, la vercellese Alica
Service ha sviluppato una serie di servizi utili a
valicare i confini di una provincia dove l’industria
ha accusato i colpi della crisi
di Giuseppe Goglio
A
ampio raggio portano alla crescita di
fianco delle poche grandi
realtà tutte da scoprire. Secondo i dati
industrie, le fortune dell’ecoInfoweb elaborati dall’Ufficio Studi/
nomia italiana sono fortestatistica della Camera di Commercio
mente legate all’inventiva e alla forza
di Vercelli, alla fine del terzo trimestre
di volontà di quel numero sterminato di piccole e medie imprese
capaci di mettere in campo idee
realmente innovative prendendo
spunto, fattore tra i più importanti, dalla realtà di tutti i giorni
per rendere più facili i passaggi
della vita quotidiana. Sono tante
le zone dell’Italia dove queste
capacità crescono, spesso anche
in condizioni ambientali difficili, e riescono a portare il valore
del made in Italy al di fuori dei
confini. Una di queste è Vercelli,
provincia a forte vocazione agricola ma non per questo avara di
spunti interessanti per il mondo
dell’elettronica. Come spesso
capita in circostanze simili, non
sono tanto i numeri a colpire,
quanto la qualità. Anche senza
la possibilità di contare sul supporto tipico dei grandi distretti,
competenza e capacità impren- Alex Rorato, di Alica Service con Tiziano Vandi
di E.T.W. Electronics
ditoriali unite a una visione ad
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PCB
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del 2013 erano 26 le aziende registrate, delle quali 24 attive, per un totale
comunque non trascurabile di 208
addetti. Nonostante un lieve passo
avanti, una unità, per quanto riguarda
le aziende attive rispetto a fine 2012, i
segni della crisi economica sul territorio si fanno sentire. Dal 2010, infatti,
la perdita è evidente, passando dalle
31 imprese di allora, alle 29 dell’anno
successivo per crollare a 23 nel 2012,
perdendo in pratica oltre il 20% del
settore.
Una perdita però molto focalizzata. A farne le spese, infatti, il mercato
dei PC. Sono, infatti, le sottocategorie
Fabbricazione di computer e unità periferiche e Fabbricazione altri
componenti elettronici per fabbricazione computer, dal 2009 al
2013, quelle scese rispettivamente da 6 a 4 e da 11 a 8 realtà. In
quest’ultimo caso si registra però un timido segnale di ripresa
nell’ultimo anno rispetto al minimo di 7 toccato nel 2012.
Molto frammentato il resto del panorama, dove si arriva a tre aziende solo nella categoria Fabbricazione di orologi. Due invece le società ufficialmente attive in tutti i settori
più strettamente legati al mondo dell’elettronica, Fabbricazione
di schede elettroniche assemblate, Fabbricazione di strumenti per
irradiazione, apparecchiature elettromedicali ed elettroterapeutiche e
Fabbricazione di strumenti e apparecchi di misurazione, prova e navigazione (esclusi quelli ottici).
La meglio gioventù
Proprio tra queste, però, è possibile andare a scovare tracce di quell’inventiva tutta italiana capace di offrire un esempio e infondere ottimismo.
“Siamo nati da poco come società racconta Alex Rorato, socio di Alica
Service -. È infatti dal 2008 che ci occupiamo di sistemi per il mondo delle automazioni, soprattutto nel settore
della sosta a pagamento. Dopo i primi anni di collaborazione con aziende
di livello nazionale, abbiamo pensato
anche di sfruttare meglio l’esperienza di un nostro progettista nel campo
della moneta elettronica per proporre
un’offerta tutta nostra”.
Per le piccole aziende, però, l’ostacolo più grosso in situazioni del genere è la difficoltà a investire su progetti di ricerca a lungo termine.
Contando sui propri mezzi, e con
una buona dose di coraggio, l’ostacolo si può comunque superare.
“Abbiamo colto l’occasione di una
gara per la gestione di un parcheggio interrato a Varallo Sesia - spiega Rorato -. Confidando nei nostri
mezzi, abbiamo deciso di sviluppare un progetto basato sulla tecnologia RFiD. L’obiettivo era superare i
limiti dei supporti cartacei con banda
magnetica ed estendere la portata del
servizio oltre il semplice pagamento”.
In pratica, all’ingresso del silo, il
guidatore preleva una tessera dotata
di transponder al posto del classico ticket. A partire da questo, oltre al semplice pagamento, sfruttando le potenzialità dell’elettronica è possibile studiare una vasta serie di opzioni, a partire dalla semplice gestione di abbonamenti, o anche solo per rendere più
facile la vita all’automobilista. “Non
servono più casse dedicate - sottolinea Rorato -. Si paga direttamente alla colonnina di uscita, in contanti o
con carte, dove eventualmente viene
anche ritirata la tessera”.
Gettoniera RFID stagna per docce
La conquista della nicchia
Alla luce di riscontri positivi incontrati anche ben al di fuori dei confini
provinciali, la vera svolta è arrivata però
nel 2010, grazie alla capacità di applicare il principio a un settore di nicchia
tutto da valorizzare. “Era forse il periodo più duro della crisi e abbiamo iniziato a guardarci intorno per capire dove potessero arrivare i nostri prodotti riprende Rorato -. Ci siamo resi conto
che in Italia sta crescendo il numero di
aree attrezzate per la sosta dei camper
e di come buona parte di queste fossero gestite decisamente male. Così, ci
siamo inventati un sistema su misura”.
All’apparenza, l’utente non scorge differenze degne di nota. Novità
e innovazione stanno invece dietro
all’emissione della tessera, che segna
anche la possibilità per il camperista di
accedere a una serie di opzioni e rendere più snelle le procedure di pagamento e accesso ai servizi. “All’arrivo,
dal totem si sceglie la durata della sosta, si può ricaricare credito per eventuali servizi complementari e pagare in
contanti o con carte. Viene quindi erogata la card con transponder e si può
entrare”.
La messa a punto del sistema e lo
studio ravvicinato della situazione ha
aiutato a individuare le funzionalità
aggiuntive. “È possibile uscire dall’area
per ritornare durante il periodo di sosta pagato e avere la garanzia del proprio posto. È uno dei tanti spunti che
hanno permesso di perfezionare il sistema, con interessanti vantaggi per
tutti. Per esempio, le convenzioni con
i negozi della zona e gli orari di apertura”.
L’idea sta incontrando favori, non
necessariamente solo nell’ambiente dei
camper, dove comunque le prospettive
non si limitano all’Italia. Alica Service
intende consolidare l’andamento in
controtendenza sviluppando quanto
sta dentro il totem, dove risiede il vero valore dell’azienda. “Il sistema non
deve necessariamente essere collegato
a un server, è concepito per funzionare anche in modalità stand alone - riprende Rorato -. Può essere naturalmente collegato in rete, ma non è indispensabile, perchè il transponder permette di copiare tutte le informazioni
sulla card”.
A rendere ulteriormente competitivo il progetto, la parità di costi rispetto alle soluzioni tradizionali, grazie al-
L’erogatore automatico da tavolo
di badge è in grado di distribuire e
codificare schede formato ISO 7816
(tipo bancomat) transponder RFID
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23
Vidimatore di uscita senza nessun interfacciamento con reti e casse esistenti
completamente stand-alone
la possibilità di mettere a frutto esperienza e competenze interne. “La progettazione delle schede elettroniche è
compito nostro. Partiamo da una gamma di modelli standard per introdurre
un elevato fattore di personalizzazione,
ma all’occorrenza siamo pronti a sviluppare soluzioni ad hoc. Completato
il progetto invece, stampaggio e montaggio li affidiamo a terzi, solitamente
aziende locali anche se on rinunciamo
a testare fornitori all’esterno, dove troviamo realtà che in pochi anni hanno
fatto passi da gigante”.
Alla fine, il materiale torna in azienda dove viene assemblato con la carpenteria, anch’essa nostrana, per i test
finali e la configurazione richiesta. “Ci
occupiamo anche del software, caricato e testato. Inoltre, eseguiamo personalmente l’installazione e garantiamo
l’assistenza e la formazione, una cosa
non da tutti”.
dal Centro e Sud Italia. “In Piemonte
e nei dintorni noto una tendenza eccessiva a piangersi addosso - osserva
Rorato -. Sembra che tutti stiano ad
aspettare che suoni il telefono, mentre
Dalla provincia al mondo
Per quanto incoraggiante, la realtà
del vercellese non può però fare a meno di confrontarsi con una zona dove
invece le difficoltà non mancano. Gli
ordinativi, infatti, arrivano per il 70%
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Totem è un dispositivo elettronico
stand-alone con cassa automatica per
applicazioni self-service. Il sistema è in
grado di accettare monete, banconote,
bancomat e di dare il resto in monete
multiconio
siamo rimasti in pochi a continuare a
sviluppare e andare a cercare opportunità anche all’estero”.
Una denuncia che trova conferma
nelle cifre riguardanti l’impiego. In
stretta sintonia con l’andamento delle
imprese, anche il numero degli addetti in provincia di Vercelli ha registrato
un calo dal 2010 al 2013, passando da
225 unità alle attuali 208. In particolare, in una situazione sostanzialmente
stabile per quanto riguarda l’elettronica
pura, spicca il deciso passo avanti delle statistiche relative alla Fabbricazione
di schede elettroniche assemblate, passate dagli zero addetti del 2010 ai 14
attuali.
Risultati raggiunti in questo caso contando soprattutto con le proprie forze. La formazione specifica nel settore appare, infatti, carente e alle aziende non resta quindi che
istruire personalmente i nuovi addetti.
Nel caso di Alica Service, niente che
comunque possa rivelarsi un ostacolo.
“Una volta resosi conto che è necessario procedere cercando di capire come un utente usa uno strumento messo a punto da noi e non dargli la colpa se non riesce a usarlo - puntualizza Rorato -, trasferire il messaggio al
progettista aiuta a migliorarlo e renderlo più competitivo”.
Seguendo questa strada, diventa anche più facile guardare al futuro
con ottimismo. “Non dobbiamo considerarci mai arrivati, ma essere pronti
ad ascoltare tutti, perché altrimenti le
cose uguali sono capaci di farle tutti -.
Conclude Rorato -. Anche per questo
abbiamo da poco lanciato l’idea di un
consorzio per il settore turistico e fare
squadra. Al momento siamo in quattro aziende e le offerte sono già cresciute. Ora, la grande sfida è presentarsi anche all’estero. Una delle idee su
cui stiamo lavorando, sono soluzioni
per gli autolavaggi, sempre sviluppata
intorno al concetto di card con transponder”.
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▶ SPECIALE - LAVAGGIO
La tecnologia
di lavaggio
La tecnologia di lavaggio dei pcb trova la sua
maggiore difficoltà nella pulizia al di sotto del
corpo del componente. Se rimuovere residui
e contaminazioni da una superficie libera da
ostacoli è relativamente semplice, le difficoltà
aumentano proporzionalmente al diminuire
dell’altezza di standoff e con l’aumento dell’area
sotto al componente
di Dario Gozzi
S
ono diverse le configurazioni con cui si presentano i due
principali i sistemi di lavaggio
con tecnologia a ultrasuoni o spray.
Ognuna coi suoi vantaggi e i suoi
svantaggi, che assumono significati
differenti in funzione delle diverse applicazioni, ma che convergono sull’obiettivo finale della pulizia.
Come agire meccanicamente al fine
di ottenere le migliori prestazioni nella rimozione dei residui, di tutti i residui di lavorazione a cui è esposto un
pcb, rimane un dibattito vivacemente
ancora aperto. Salvo poi a scoprire
che l’agente chimico può rivelarsi più
importante che non la tecnologia utilizzata per il suo impiego.
Lavaggio a ultrasuoni, lavaggio
spray in immersione o lavaggio pressurizzato in aria, sono le tre principali
tecniche oggi utilizzate nell’industria
dell’assemblaggio elettronico.
Obiettivo e ostacoli
nel lavaggio
Che il processo di miniaturizzazione abbia raggiunto o meno i suoi limiti fisici, poco importa perché se
andiamo a valutare l’altezza che separa il lato bottom dei componenti dalla superficie di un comune pcb
di media complessità, troviamo dati già significativi ai fini delle difficoltà di rimozione delle eventuali impurità intrappolate tra le due superfici. Mediamente si va dagli 0,65 mm
di componenti quali QFP o TSOP ai
0,4 mm di un area array ai 0,2 mm di
un chip resistivo o capacitivo.
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PCB
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Valori di standoff sicuramente in
discesa, ma già emblematici in rapporto alle aspettative di vita dei dispositivi elettronici e in particolare della
loro affidabilità. I problemi dell’affidabilità si acutizzano poi nel momento in cui si risale la scala delle applicazioni a cui può essere legata la vita degli utenti (settore
automotive o medicale) o le prestazioni come nei dispositivi che
lavorano ad alta frequenza, dove un nonnulla può cambiarne la
risposta. Sono situazioni queste
dove lavare o non lavare può fare la differenza, dove l’azione capillare in spazi ristretti diventa il
confine tra pulito e non pulito.
L’utilizzo sempre più diffuso di BGA e CSP introduce un ulteriore ostacolo, coi numerosi contatti che sotto il corpo dei componenti
corrono il rischio di creare una labirintica trappola che ostacola ulteriormente l’ingresso degli agenti pulente
e risciacquante e la conseguente uscita delle impurità.
In una normale azione di lavaggio l’agente detergente deve poter
raggiungere, dissolvere e rimuovere un qualsiasi contaminante presente sotto il corpo di un BGA. L’azione
di risciacquo ha il compito di evitare un’ulteriore ricontaminazione e
l’asciugatura di rimuovere ogni più
piccola presenza di liquido, in particolare se il lavaggio è a base acquosa.
Fig. 1 – Esempio di macchina
di lavaggio (nella foto il modello
Compaclean di PBT)
La differenza tra pulizia dello stencil e di un pcb ne sono l’esempio lampante. La pulizia dello stencil è valutata visivamente, sicuramente è più
accurata se l’occhio umano è coadiu-
vato da uno strumento ottico lente o microscopio che sia - ma
rimane comunque nell’alveo di
una valutazione soggettiva.
Definire il grado di pulizia di
un pcb è decisamente più complesso, tanto è che sono state messe a punto linee guida che riportano a precisi standard (IPC,
J-STD); questi non solo stabiliscono soglie minime, ma suggeriscono i metodi di test per determinarle quanto più oggettivamente
possibile.
Se i residui di flussante, così come solder ball o contaminanti delle precedenti fasi di lavorazione non
sono rimossi completamente, si potrebbero generare problemi di diverso
grado tanto durante successive fasi di
lavorazione (die e wire bonding) o nel
funzionamento sul campo: delaminazione del conformal coating, elettromigrazioni e correnti parassite.
Tanto più il dispositivo è delicato
ed esposto a condizioni di lavoro gravose (frequenti escursioni termiche,
elevata umidità o ambienti con atmosfera corrosiva) tanto più si alza il ri-
Contaminazione ionica
e SIR test
L’azione di lavaggio è in realtà in
misto tra azione chimica e meccanica, che si protrae per un certo tempo a
una data temperatura.
Il lavaggio non è univoco, come
non lo è il grado di pulizia a cui conducono i diversi percorsi, perché cambiano i contaminanti da asportare e la
produttività richiesta.
Fig. 2 – Cestelli per pcb da utilizzare nelle macchine di lavaggio
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schio di malfunzionamenti se non
è adeguatamente pulito.
Nell’ispezione del livello di
pulizia di un pcb si ricorre tanto all’ispezione visiva quanto al
controllo del grado di contaminazione ionica mediante SIR test
(Surface Insulation Resistance).
Il SIR test è il metodo utilizzato per valutare un assemblato elettronico sotto il profilo dell’affidabilità. Il suo obiettivo è di appurare anticipatamente la presenza di
un’eventuale propensione al guasto di natura elettrochimica, dato dall’insorgere di correnti parassite, corrosioni o migrazioni metalliche.
Perché insorgano problemi di natura elettrochimica è necessaria la concomitanza di tre fattori: la presenza di
umidità, un residuo ionico sulla superficie del pcb e l’applicazione di un
potenziale elettrico.
Durante il SIR test la temperatura e i livelli di umidità sono artificialmente elevati per accelerare la manifestazione dei fenomeni. Applicando
poi una tensione si verifica l’accettabilità o meno dei risultati. In caso di
forte contaminazione ionica, si manifestano correnti di dispersione, corrosione e migrazione metallica, crescita
di dendriti.
Il detergente
Il lavaggio è la risultante dell’azione contemporanea delle variabili temperatura, tempo, azione meccanica e
azione chimica. La scelta del sistema di lavaggio adeguato è sicuramente importante, ma ancora di più lo è
quella dell’agente chimico.
La componente chimica può ascriversi in tre categorie:
- base solvente;
- tensioattivi o surfattanti (dall’acronimo inglese surfactant: SURFace
ACTive AgeNT);
- microfase.
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PCB
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Fig. 3 – Esempio di lavatrice con giranti
a getto
I solventi hanno un’ampia finestra
d’azione, essendo capaci di rimuovere una vasta categoria di contaminanti. Da questo punto di vista si presentano come l’agente più indicato per
un lavaggio ad ampio spettro d’azione. Di contro i solventi non possono
essere utilizzati con ogni tipo di lavatrice, essendo altamente infiammabili e origine di VOC. Gli altri due prodotti sono a base d’acqua e, di conseguenza, non sono infiammabili.
L’acqua, la cui bontà dipende dalla durezza, ha un ruolo fondamentale veicolando la componente attiva del
detergente sullo sporco; provvede poi a
mantenere in sospensione le particelle
di sporco catturate dal detergente.
I tensioattivi hanno la proprietà di abbassare la tensione superficiale dell’acqua e sono composti da una
testa polare e da una coda non polare. La loro azione è tale da intrappolare le particelle di sporco mantenendole in sospensione, evitando così il loro ridepositarsi.
Un buon detergente deve possedere
le caratteristiche di sciogliersi velocemente dentro l’acqua, rimuovere quanti più tipi di sporco possibile nel più
breve tempo possibile, non produrre e operare anche in presenza di acque molto dure. Agli effetti del circuito non deve corroderne o intaccarne le componenti. Ovviamente il
lavaggio in acqua non è indicato nei
casi in cui ci siano a bordo scheda componenti con parti metalliche ossidabili.
Il lavaggio con surfattanti ha uno
spettro di azione inferiore rispetto ai
solventi e il bagno si esaurisce più velocemente. Una seconda controindicazione è data dalla tendenza di alcuni prodotti ad aderire alle superfici, lasciando un sottile film che quando non
totalmente rimosso dal risciacquo, potrebbe costituire un ostacolo alle operazioni di bonding e di coating, oltre
a rendere opache le superfici dei giunti di saldatura. Il livello di VOC è molto basso o addirittura assente.
La tecnologia di lavaggio Microphase
Cleaning (MPC) combina i benefici
del lavaggio solvente con quelli dei surfattanti senza assumerne i relativi svantaggi. Il lavaggio è a base acqua e di conseguenza non si utilizzano sostanze infiammabili, Avendo un’ampia finestra
di processo si presta alla rimozione di
una moltitudine di contaminanti esattamente come i solventi.
Quasi inodori e con bassissimo livello di VOC, la speciale formulazione di
prodotti a base d’acqua (esente da surfattanti) consente un utilizzo prolungato dei bagni. La loro parte attiva (denominata microfase) non si lega permanentemente al contaminante, ma lo rimuove dalle superfici e lo mantiene in
sospensione, da cui viene rimosso mediante filtrazione, azione che rigenera il
bagno mantenendolo a lungo attivo.
La lavatrice
La scelta della lavatrice dovrebbe
essere subordinata a quella del detergente che si vorrebbe impiegare., ma
poi rimane legata ai quantitativi gior-
nalieri, alle dimensioni dei pcb, finanche allo spazio disponibile per portare il processo in azienda. I sistemi automatici, per produttività consistenti, oltre a un budget importante, richiedono anche più spazio dei sistemi stand-alone.
I sistemi di lavaggio sono di preferenza semiautomatici, in cui è l’operatore a trasferire manualmente dalla vasca di lavaggio a quella di risciacquo le parti da lavare.
I sistemi più diffusi sono le macchine di lavaggio con ultrasuoni e quelle
spray, in aria o in immersione.
Nei sistemi a ultrasuoni, così come in
quelli spray a immersione, la scheda da
lavare è immersa in una vasca. Nel primo caso l’azione meccanica di rimozione dei contaminanti è svolta dall’azione
degli ultrasuoni, nel secondo è il sistema spray ad agire. Il detergente è a base acqua e lavora in temperatura. I sistemi ad ultrasuoni, non avendo giranti o
altre parti meccaniche in movimento, si
trovano anche in versione bench top per
piccole produzioni.
Nei sistemi spray in aria, una girante provvista di vari nozzle spara
il liquido di pulizia sul pcb da pulire (ved. Fig. 4).
In funzione del tipo di macchina
utilizzato possono ovviamente essere caricati più pcb nella vasca di lavaggio, così come le stesse tecnologie
possono essere utilizzate nel lavaggio
delle lamine serigrafiche, per le schede mal serigrafate o per i filtri di flux
management dei forni a rifusione.
I sistemi di lavaggio che utilizzano
solventi sono più complicati (e in genere più costosi) perché devono avere
speciali accorgimenti che evitino che
il liquido possa infiammarsi ed anche
evaporare facilmente.
La decisione di acquisto di una lavatrice non può basarsi solo su un
confronto tra data sheet o tra offerte, ma deve sottostare a un buon approfondimento della tecnologia che ci
si appresta ad acquistare e delle implicazioni operative che questa comporta, non ultimo lo smaltimento dei residui di lavaggio.
Fig. 4 – Altro modello di lavatrice per pcb (Acqueous Technologies)
La qualità del processo
La qualità del processo è assicurata anche dalla qualità del bagno.
Durante il processo di lavaggio, l’accumulo di impurità all’interno del bagno riduce la sua capacità di pulizia,
diminuendone progressivamente nel
tempo l’efficienza.
Ci sono due principali fattori che
condizionano la durata del bagno: il
tipo e l’ammontare dei contaminanti. Senza il continuo monitoraggio del
bagno, l’eventuale saturazione rimane sconosciuta e l’agente detergente non sarà più in grado di svolgere
la sua azione.
I metodi analitici per tenere sotto
controllo il bagno sono il valore del
pH, la misura della conduttività e l’indice di rifrazione.
La misura della conduttività considera la somma degli ioni presenti dovuti alla dissoluzione degli ioni metallici, agli acidi, agli eventuali alogeni o
ad altri sali disciolti nel bagno.
L’indice di rifrazione cambia in
funzione dei contaminanti disciolti,
ma è meno preciso rispetto alla misura della conducibilità.
La misura del pH è un indice importante per valutare la condizione
del bagno. Molti flussanti contengono attivatori che, in virtù delle loro
proprietà chimiche, influenzano pesantemente il tenore di acidità del bagno. Oltretutto è un metodo molto
semplice in quanto si utilizzano delle
semplici cartine di test che, immerse
nel liquido di lavaggio, cambiano colore in funzione del valore di pH rilevato. Confrontando il colore ottenuto sulla cartina di test con la scala cromatica del pH, si determina velocemente il tenore del bagno.
Volendo un controllo più preciso
si utilizza il classico strumento munito di sonda che, introdotta nel bagno, consente di ottenere direttamente l’informazione numerica.
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▶ SPECIALE - LAVAGGIO
Oltre i limiti dell’udito
Il lavaggio a ultrasuoni si basa sull’effetto della cavitazione, cioè il rapido
formarsi e il violento collassare di minute bolle all’interno del liquido di
lavaggio. L’intensa implosione di queste innumerevoli piccole bolle genera
la pulizia delle parti immerse, sia delle superfici esposte sia di quelle più
nascoste nei meandri del pcb assemblato
di Dario Gozzi
I
l lavaggio a ultrasuoni è dovuto
alla scoperta di quel fenomeno
per mezzo del quale è possibile
convertire energia elettrica in energia
meccanica e viceversa. Questo effetto è stato utilizzato per generare gli
ultrasuoni, cioè suoni ad alta frequenza non udibili dall’orecchio umano,
capaci di trasportare energia meccanica.
Il primo scopritore di questo fenomeno fu James P. Joule (1842) che attraverso l’effetto magnetostrittivo dimostrò come sia possibile convertire
l’energia magnetica in energia meccanica tramite la modifica dimensionale
di un materiale metallico sottoposto a
un forte campo magnetico. Seguirono
i fratelli Curie nel 1880 con l’effetto
piezoelettrico, osservando che, eser-
citando una pressione meccanica su
un cristallo di quarzo, si produceva un
potenziale elettrico; viceversa, applicando una carica elettrica si produceva una deformazione del cristallo; se
la carica elettrica era pulsante il cristallo entrava in vibrazione.
Le applicazioni pratiche si susseguirono a partire dagli inizi del secolo scorso, ma è solo dal secondo dopoguerra che il rapido sviluppo dell’elettronica ha reso possibile la realizzazione di strumenti e sistemi sempre
più sofisticati, utilizzati in numerosi settori quali il militare, il medicale
e l’industriale. Lo sviluppo del settore
ha portato alla scoperta dei materiali piezoceramici, che hanno permesso
la realizzazione di generatori di ultrasuoni più robusti, più potenti e molto versatili.
Il lavaggio con gli ultrasuoni
Fig.1 – Macchina a ultrasuoni. La macchina è formata da una vasca di lavaggio e
da un generatore di ultrasuoni che creano l’effetto della cavitazione all’interno
del liquido in essa contenuto
30
PCB
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Durante il lavaggio con ultrasuoni,
sulle superfici da pulire viene esercitata sia un’azione chimica sia un’azione meccanica.
La lavatrice a ultrasuoni è formata
da una vasca munita di un trasduttore
piezoelettrico alimentato da un generatore di alta frequenza (ved. Fig. 1).
Il generatore trasforma l’alimentazio-
ne di rete in una forma d’onda ad alta frequenza che, solitamente, va dai
20 KHz ai 40 KHz. Le vibrazioni
del generatore piezoelettrico producono la serie di onde che sono diffuse nel bagno attraverso la parete della vasca di lavaggio. Il trasduttore, solidale con la parete
della vasca di lavaggio, converte questa energia elettrica in vibrazione ad alta frequenza creando nella soluzione detergente il fenomeno della cavitazione.
In pratica, nel liquido
vengono generate onde di
compressione e di depressione a una velocità pari alla frequenza di lavoro. Questa
azione porta alla generazione del fenomeno della cavitazione che è alla base di questa tecnologia di lavaggio. Il termine “cavitazione” deriva
dal formarsi di cavità gassose all’interno del liquido. Tale formazione di
bolle prende avvio durante la fase di
depressione; in questa fase all’interno del liquido si crea una moltitudine
di piccole bolle che aumentano di dimensione per tutto il tempo in cui dura questa prima fase. Con la successiva
fase di compressione tutte le bollicine
vengono sottoposte a un’elevata pressione che porta a un innalzamento
di temperatura della porzione di gas
in esse contenute. Il fenomeno porta al collasso delle bollicine, liberando un’enorme energia d’urto. Questa
energia liberata dall’implosione colpisce tutte le superfici di quanto è immerso nel liquido. Il detergente presente nel liquido disgrega chimicamente i legami del contaminante, che
viene asportato dall’azione meccanica dovuta all’energia dalla cavitazione.
La temperatura d’esercizio non deve
superare i 60 °C in quanto l’attività
di cavitazione aumenta all’aumentare
della temperatura del liquido fino alla
soglia di 70 °C per poi diminuire, fino
nuziosa pulizia di pcb, stencil, filtri e ogni altro particolare immerso nel bagno (ved. Fig. 2);
- Velocità. Questa tecnologia consente di pulire in tempi estremamente ridotti unità singole o assemblate o più unità
contemporaneamente;
- Costi ridotti. Un sistema di lavaggio a ultrasuoni, non avendo parti
in movimento ed essendo costruttivamente più
semplice rispetto ad altre lavatrici, ha costi più
contenuti. Anche il costo e la durata dei bagni
è economicamente vantaggioso. (Fig. 3)
Fig. 2 – Macchina di pulizia a ultrasuoni
per telai
ad azzerarsi al raggiungimento della
temperatura di ebollizione. Viceversa,
con una soluzione troppo fredda è richiesta troppa energia per cui saranno prodotte bollicine in quantità minore e con più scarsa resa meccanica.
L’energia richiesta per la formazione
di una bollicina di cavitazione è proporzionale alla pressione di vapore del
liquido ed è perciò influenzata dalla temperatura e dal valore della tensione superficiale. Il liquido deve essere una soluzione acquosa caratterizzata da una bassa tensione superficiale e
da un’alta pressione di vapore.
Vantaggi del sistema
a ultrasuoni
I vantaggi del lavaggio a ultrasuoni
si possono così riassumere:
- Precisione. Dato che l’energia ha
la capacità di penetrare negli interstizi più ridotti e virtualmente inaccessibili, è assicurata la mi-
Note al processo
di lavaggio
All’accensione della lavatrice gli ultrasuoni provocano la degassificazione della soluzione detergente, separando ed eliminando i gas presenti in
soluzione che salgono in superficie.
La presenza dei gas nell’acqua (ossigeno, anidride carbonica, ecc.) inizialmente rende i detergenti acquosi elastici, attenuando l’energia meccanica degli ultrasuoni. Gli ultrasuoni seguono le leggi comuni a tutti i
fenomeni di propagazione delle onde, pertanto quando il fascio incontra un ostacolo rigido è riflesso o deviato o subisce diffrazione; se incontra un ostacolo morbido o poroso viene invece assorbito. Nella separazione
dei gas il tempo è strettamente correlato alla temperatura del bagno, al
pH del detergente utilizzato, alla potenza e alla frequenza degli ultrasuoni. Particolare attenzione va posta
nella scelta del detergente utilizzato
che deve avere un pH appropriato per
evitare attacchi alla vasca di lavaggio
e alle superfici degli oggetti da lavare.
La natura chimica delle sostanze da
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Fig.3 – Lavatrici da banco a ultrasuoni. Lo schema costruttivo semplificato e l’economicità di esercizio rendono le macchine
di lavaggio a ultrasuoni estremamente interessanti anche per piccoli produttori
rimuovere non deve reagire col detergente producendo composti insolubili e difficilmente emulsionabili. Il detergente acquoso deve inoltre esaltare
la cavitazione e non deprimerla, essere totalmente solubile in acqua e, possibilmente, essere formulato con tensioattivi che abbiano una bassa tensione superficiale e che siano stabili chimicamente alla temperatura di
lavoro. L’operazione di pulizia è realizzabile con i migliori rendimenti solo utilizzando uno specifico detergente per ultrasuoni che esalti il processo di cavitazione, sviluppi il massimo
dell’aggressione chimica sullo sporco
da disgregare e abbia un’assoluta inerzia chimica sull’oggetto da lavare. La
soluzione detergente deve trasferire
l’onda senza eccessivo assorbimento.
Parti assemblate possono essere lavate senza richiedere smontaggi, gli
ultrasuoni – penetrando infatti uniformemente insieme al detergente –
disgregano il contaminante e determinano una perfetta pulizia. Gli ultrasuoni sono imbattibili per rimuovere polvere, impronte digitali e altri
contaminanti organici, residui di flus-
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sante, parti metalliche come le solder
ball, grassi e vari residui di lavorazione, sia in fase di produzione sia in fase di manutenzione, ciò anche su dispositivi con superfici dalla geometria
più complicata e su cui siano presenti cavità.
Per un’ottima resa del lavaggio a ultrasuoni e una buona durata del detergente è importante che si utilizzino cestelli o sostegni costruiti in acciaio inox non cavi. L’utilizzo di fixture di sostegno plastiche o vuote all’interno riduce considerevolmente l’efficacia degli ultrasuoni.
La frequenza
degli ultrasuoni
La frequenza del generatore a ultrasuoni è importante in quanto determina la dimensione della bolle
all’interno del bagno. Maggiore è la
frequenza del generatore e minore è
la dimensione delle bollicine, maggiore è il loro numero prodotto. Al contrario, minore è la frequenza di generazione e maggiore è la dimensione
delle bollicine e minore il loro nume-
ro. Una bollicina più grande, essendo
stata generata da un’energia maggiore, implodendo sprigiona anche una
maggiore energia d’urto, mentre una
bollicina più piccola, essendo stata
generata con una quantità di energia
minore, avrà di conseguenza un’energia d’urto inferiore.
Una considerazione non secondaria
è che le alte frequenze permettono di
generare molte più bollicine nell’unità di tempo, permettendo una migliore distribuzione della cavitazione per
unità di superficie e, per quanto esposto precedentemente, un effetto di lavaggio più morbido. Pertanto i sistemi
a 40 KHz generano nell’unità di tempo molte più bollicine rispetto a quelle generate dai sistemi a 20 KHz (il
loro numero è praticamente doppio)
e soprattutto di dimensioni minori,
permettendo di raggiungere punti anche molto piccoli per unità di superficie. Lavorando a 40 KHz la lavatrice si scosta anche dal limite superiore
di udibilità dell’orecchio umano, evitando un noioso rumore all’operatore.
Con i pcb (o gli stencil) da lavare
immobili nel liquido si possono creare
punti ad alta concentrazione di energia detti “nodi d’onda” e altri di minore concentrazione. Per ovviare al problema si utilizzano allora generatori
sweep per generare frequenze che variano nel tempo; la frequenza di emissione degli ultrasuoni viene usualmente fatta oscillare con continuità attorno a quella di base con variazioni di +
1KHz (nel caso 40 kHz si va dai 39
ai 41 KHz), così da eliminare i dannosi effetti delle onde stazionarie. Questa
tecnica di modulazione uniforma e
massimizza la resa degli ultrasuoni; il
lavaggio migliora quindi sensibilmente senza necessità di agitare meccanicamente quanto si vuol lavare.
Fig.4 – Sezione di un trasduttore
Nel particolare a fianco il disco di materiale piezoelettrico
I trasduttori
Gli elementi che permettono
la formazione degli ultrasuoni sono i trasduttori piezoelettrici e il loro compito è quello di trasformare
energia elettrica in energia meccanica. Una tensione elettrica applicata al
trasduttore genera una vibrazione ultrasonora la cui frequenza è specifica per quel determinato componente
piezoelettrico.
Per sommi capi (ved. Figg. 4 e 5),
un trasduttore è costituito da una sezione di cristallo oppure da un dischetto di ceramica (in questo caso
si parla di trasduttori piezoceramici)
avente caratteristiche piezoelettriche
peculiari. I piezoceramici sono realizzati con ceramiche in titanato zirconato di piombo - Pb(Zr,Ti)O3, commercialmente chiamato PZT - racchiuse tra due blocchetti di metallo.
Sulla superficie piana del materiale piezoelettrico vengono creati due
elettrodi mediante un procedimento
di metallizzazione.
Le dimensioni tipiche del disco
piezoelettrico variano in funzione
della destinazione d’uso da un diametro di 5 mm a 20 mm, con spessore
compreso fra 0,2 mm e 2 mm.
Fig.5 – Trasduttore – Schema di principio
La tensione elettrica alternata applicata agli elettrodi provoca la deformazione vibrante della sezione del
cristallo o della piastrina ceramica
sintetica che viene trasmessa ai blocchetti di metallo solidali.
La deformazione a cui è sottoposto il dischetto piezoelettrico aumenta o diminuisce in funzione della frequenza specifica del materiale. I blocchetti metallici sono fissati
a flange in acciaio a loro volta applicate sul fondo della vasca di lavaggio,
da cui trasmettono l’energia meccanica al bagno. Nel settore del lavaggio industriale vengono utilizzati indifferentemente i trasduttori di tipo
piezoelettrico o piezoceramico, perché è possibile progettarli con frequenze che arrivano a 42 KHz, per
un lavaggio potente ma al tempo
stesso delicato.
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▶ SPECIALE - LAVAGGIO
di Michael Konrad*
Regole
di affidabilità
Le attività di lavaggio e la quantità di residui che si possono accettare
su una scheda elettronica dovrebbero seguire delle particolari regole
operative. Spesso però le regole non sono adeguate, sono obsolete o non
sono espresse in modo consono alle reali necessità produttive
C
ome molte altre lingue l’italiano possiede singole parole dai
significati multipli. Si prenda
ad esempio la parola “regola”, che possiede diversi significati. Per regola si
può intendere il “precetto a cui attenersi per raggiungere un determinato
scopo o per risolvere correttamente un problema”. Altro significato è
anche la “norma dell’agire che prescrive il modo in cui comportarsi in
determinate circostanze”, una “normalità abituale, una modalità costante
che caratterizza un determinato fatto
o una serie di fatti” e così via.
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Nel mondo dell’industria dell’assemblaggio elettronico esistono diverse regole, ognuna con una sua propria
definizione. Partiamo con la “regola del
pollice”.
La regola del pollice
Definizione: “Approccio pratico e
sommario basato sull’esperienza più
che su una precisa teoria scientifica ”.
La regola del pollice prescrive
che se un assemblato appare pulito,
vuol dire che è pulito. Nei tardi anni ’80 gli assemblatori sono passati in
massa dai flussati in resina o solubili in acqua ai flussanti “no-clean”. La
promessa il più spesso dichiarata era
che non fossero visibili residui dopo
la saldatura. I precedenti tipi di flussanti lasciavano tutti dei residui visibili prima dell’operazione di pulizia.
Miracolosamente, invece, i flussanti “no-clean” non lasciano residui evidenti dopo l’utilizzo.
Gli assemblatori, ora cittadini felici
del paese del “no-clean”, hanno avuto a
disposizione diversi anni di tranquillità, fino al giorno, però, in cui le regole
non sono cambiate.
Regola
Definizione: “Dichiarazione che
dice cosa sia permesso o cosa succederà in un determinato sistema (come nel
caso della lingua o della scienza)”.
Esistono numerosi tipi di residui
che è possibile trovare su un assemblato elettronico. Tali residui si possono accumulare nell’intera vita di una
scheda stampata. Residui risultanti
dalla fase di fabbricazione del pcb sono assai comuni.
Il fatto che la scheda non sia stata assemblata non implica che questa
sia pulita. Al contrario le schede nude
possono essere particolarmente sporche, coperte da forme invisibili di contaminanti, alcuni innocui, altri più pericolosi. Inoltre è possibile trovare residui provenienti dalla stessa produzione di componenti. Mi riferisco a
un articolo pubblicato su Research in
Motion (Blackberry) in cui si descrive un problema che coinvolgeva il rilascio di contaminanti di sostanze adesive che, trasferiti dal reel al componente e poi al circuito stampato, si sono dimostrati un problema durante il processo di saldatura.
Vi sono poi i residui dell’assemblaggio, quelli che forse sono i più comuni fra tutti i tipi di residuo. Il processo d’assemblaggio è infatti fonte di
potenziali residui. I residui di natura
umana comprendono l’unto delle mani, i residui di trasferimento fra le diverse macchine, i residui di cibo (quelli delle patatine fritte sono fra i più difficili da contrastare), i residui di creme per le mani e, naturalmente, i residui di flussante. In questo caso c’è una
regola che spesso i fabbricanti dimenticano: se non si rimuovono i residui
di flussante, nessun altro residuo viene rimosso. In tal modo, anche se la
più utopica delle convinzioni dice che
i flussanti no-clean non lascino residui,
i resti del processo di fabbricazione (e
ben altro) rimangono sulla scheda.
Per vent’anni non abbiamo mai sottoposto le nostre schede a lavaggio e senza problemi di sorta. Perché dovremmo
avere dei problemi proprio ora?
Le regole sono cambiate.
Ricordiamo i giorni in cui la geografia di una scheda stampata ricordava
l’immagine topografica di un paesaggio visto dall’alto. La quantità di spazio
presente su una scheda era tantissimo.
Inoltre, i componenti su assemblati di
20 anni fa erano veri e propri giganti
rispetto a quelli che utilizziamo oggi. I
pcb erano enormi e avevano al loro interno un mare di spazio. Oggi, con la
tendenza sempre più spiccata alla miniaturizzazione, sia gli spazi fra i componenti sia gli spazi fra componenti
e scheda non possono essere ulteriormente ridotti. La miniaturizzazione,
unitamente all’aumento del tempo di
vita del prodotto e alle sue aspettative di affidabilità, ha portato a una riduzione degli spazi ai limiti della tolleranza. In altre parole, un volume specifico di residui che, fino a qualche anno
fa, non risultava quasi evidente su un
assemblato dell’epoca, oggi potrerebbe
portare a problemi catastrofici. Più le
cose si avvicinano fra loro, più i residui
possono avere effetti negativi.
Come posso giustificare un’operazione di pulizia in presenza di flussanti no-clean? Il no-clean può significare
“non pulito”?
Dimentichiamoci il termine “noclean”. Si rinomini il barattolo della
pasta saldante con la dicitura: “A basso contenuto di residui”
Il flussante che più comunemente viene rimosso (pulito) è quello noclean; questo è un fatto risaputo. Molti
assemblatori puliscono più assemblati sottoposti a reflow con pasta saldante no-clean che non assemblati con cui
siano stati usati altri generi di paste
saldanti. Alcuni degli assemblati sottoposti a reflow con paste saldanti noclean non hanno verosimilmente la necessità di essere puliti, mentre gli altri
lo devono essere assolutamente.
Vi sono diversi motivi per determinare se un assemblato debba essere pulito. Tali fattori comprendono:
- i costi dei possibili guasti;
- l’ambiente climatico in cui l’assemblato dovrà essere utilizzato;
Fig. 1 – Crescita dendritica causata da una combinazione di residui, umidità
e corrente elettrica (Foto cortesia Foresite)
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- il posizionamento del componente
sulla scheda.
Costi del guasto
Se il prodotto non funziona per la
presenza di residui dannosi (o per ogni
altro guasto fatale), cosa può succedere? Mentre alcuni danni all’assemblato
possono portare a risultati particolarmente spiacevoli (distruzione, malfunzionamento, ecc.), altri possono determinare importanti perdite economiche e di reputazione. Mentre certi guasti possono essere considerati “utili”,
molti altri non ricadono in questa categoria. Certi generi di assemblati possono accettare residui senza presentare particolari inconvenienti; altri invece non si comportano nello stesso modo. Come può un’etichetta incollata sul
contenitore della pasta saldante comunicare che l’assemblato che si sta sottoponendo a lavorazione possa resistere
ai residui creati da un processo no-clean? Il problema è che le informazioni
contenute sull’etichetta possono essere
fuorvianti. Un’informazione più corFig. 2 – Resistenza appovata da IPC
di un tester per l’estrazione
dal solvente
di pulizia
retta sarebbe quella di utilizzare un’etichetta con la scritta “A basso contenuto di residui”. Sta infatti alla tecnologia proprietaria determinare la quantità accettabile di residui per un certo assemblato.
Ambiente climatico d’utilizzo
dell’assemblato
I danni all’assemblato causati da residui sono di solito il risultato di tre fattori combinati fra loro: i residui, l’umidità e la corrente elettrica. La giusta
combinazione di questi tre ingredienti porta a migrazione elettrica (crescita
dendritica) o a perdite di corrente, casi
questi che non sono auspicabili.
Per eliminare ogni probabilità di
migrazione elettrica o di danno per la
perdita di corrente elettrica, devono essere eliminati i fattori di cui abbiamo
parlato di:
1 Eliminare la corrente elettrica Naturalmente, quando l’assemblato è funzionante, non è una grade
idea eliminare la corrente elettrica.
2 Eliminare l’umidità - L’umidità
agisce come un catalizzatore per la
migrazione elettrica o per le perdite di corrente quando viene in contatto con corrente elettrica e con
residui conduttivi e/o corrosivi.
Sebbene un buon sistema di baking
possa eliminare l’umidità - a meno
che l’assemblato non sia incapsulato - l’umidità può comunque ripresentarsi sull’assemblato presentando gli effetti di cui si è trattato. Credo comune è che per prevenire la reintroduzione di umidità, l’assemblato debba essere sottoposto a conformal coating per deposizione o a immersione. Il conformal coating, mentre garantisce
un effetto barriera efficace contro i
fluidi, spesso è permeabile agli stessi. Una piccola quantità di umidità può penetrare nel conformal coating, situazione che può determinare una corrosione al di sotto della
superficie del rivestimento, con una
conseguente migrazione elettrica e
perdita di corrente.
3 Eliminare i residui - Con un assemblato provo di residui, la corrente elettrica e l’umidità da sole non hanno nessuna possibilità
di creare un percorso elettrico. La
mancanza di percorso elettrico significa mancanza di perdite di corrente o migrazione elettrica.
Posizionamento del
componente sulla scheda
Si consideri la quantità di spazio
presente fra componente e componente e fra componente e scheda. Si ricordi che più lo spazio diminuisce, meno
volume di residui viene tollerato.
Come è possibile determinare quanto residuo sia accettabile per un certo assemblato?
La risposta a questa domanda presenta lati positivi e negativi.
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I lati positivi sono che esistono sistemi di test rapidi, facili da utilizzare e affidabili per determinare la quantità dei residui che possano essere presenti su un assemblato. Esistono poi i
cosiddetti standard di pulizia, pubblicati originalmente come standard militari e successivamente trasformati in
standard IPC.
I lati negativi sono che gli standard
di pulizia più usati oggi sono stati sviluppati in realtà negli anni ’70. Negli
anni ’70 non era stata ancora introdotta la tecnologia a montaggio superficiale. Quando alla TV seguivamo programmi come Happy Days nasceva
uno standard di pulizia. E da quel momento le cose non sono più cambiate.
Il volume di residui accettabile e tollerabile negli anni settanta era molto superiore rispetto a quello che è oggi accettabile nella lavorazione elettronica. Alcuni suggeriscono che sarebbe ora che si creasse un nuovo test. La
migliore posizione al riguardo è forse
Fig. 3 – Nonostante la denominazione
“No-clean”, la maggior parte dei
flussanti no-clean viene sottoposta a
processo di pulizia
quella che si rifiutino gli attuali (e ormai superati) standard di pulizia “pass/
fail” e li si rimpiazzino con standard di
profilo più basso e più conservativi.
Gli attuali standard IPC “pass/
Fail” per la pulizia del post reflow è di
10 μg NaCl (eq)/pollice2 (1,56 μg
NaCl cm2). Un approccio più realistico agli standard di pulizia conside-
ra invece lo spazio del componente
sull’assemblato, la quantità di corrente elettrica presente, il costo dei guarsi e l’ambiente climatico (umidità) in
cui l’assemblato si troverà a operare.
Considerando questi quattro fattori è
possibile identificare la quantità tollerabile e “sicura” di residui.
Per certi assemblatori glo standard
IPC corrente funziona bene. Questi
assemblati presentano uno spazio misurabile fra i conduttori, altezze adeguate di stand-off che siano meno soggette a intrappolare residui, opereranno
in un ambiente climatico controllato/a
bassa umidità e che il costo degli eventuali guasti non sia altamente proibitivo. Per gli altri assemblatori meno residui sarebbe l’opzione più auspicabile.
In questo contesto la definizione
più pratica di “regola” sarebbe dunque:
“Consiglio sul modo migliore di fare
qualcosa” .
*Presidente di Aqueous Technologies Corp.
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▶ SPECIALE - LAVAGGIO
Tecnologie di cleaning.
Tendenze e sviluppi
Nonostante i progressi nelle nuove tecnologie,
quali i flussanti ‘no clean’, il lavaggio è tuttora
un processo multi-stadio essenziale all’interno
dell’industria elettronica. Ecco un accenno sulla
situazione attuale e su quello che sarà il futuro
di un processo da non sottovalutare
di Jade Bridges e Amanda Stuart*
I
l lavaggio è un processo essenziale all’interno della fabbricazione
d’elettronica ed è stato usato, per
molti anni, allo scopo di rimuovere
contaminanti potenzialmente dannosi durante la fabbricazione dei
pcb. Tali contaminanti includono il
flussante, la lega saldante e i residui
adesivi, oltre ad altri contaminanti
più generici quali polvere e detriti
derivanti da altri processi di fabbricazione.
Scopo del lavaggio, specificamente all’interno dell’industria elettronica in rapida espansione, è di migliorare essenzialmente il tempo di
vita del prodotto, assicurando buona
resistenza superficiale e prevenendo correnti di dispersione (leakage)
che portano a guasti del pcb. Questo
mercato in continuo sviluppo vede
l’elettronica moderna e futura rimpicciolirsi sempre di più, mentre i
requisiti d’alte prestazioni e affidabilità sono più pressanti che mai.
La pulizia delle schede elettroniche è essenziale al fine di ottenere buona resistenza d’isolamento e assicurare un’adeguata adesione
del conformal coating e delle resine
d’inglobamento e incapsulamento.
I diversi livelli di applicazione
del processo di cleaning
Sono molti gli stadi dove è richiesto il lavaggio: prima di serigrafare e saldare al fine di rimuovere i contaminanti arrivati dai numerosi stadi di produzione precedenti; dopo la serigrafia per rimuo-
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vere l’eccesso d’adesivo; dopo la saldatura per rimuovere residui corrosivi di flussante e qualsiasi eccesso di crema saldante. Nell’odierna
industria, molti fabbricanti stanno
passando a processi ‘no clean’ (senza lavaggio), sostenendo implicitamente che, dopo la saldatura, non è
richiesto il lavaggio.
Nel processo ‘no clean’ il contenuto di solidi nel flussante è inferiore rispetto a quello riscontrato nei
processi tradizionali, pur contenendo ancora colofonia ed attivatore.
Tali residui, insieme a qualsiasi altro elemento indesiderato raccolto,
dovuto alla mancanza dello stadio di
lavaggio, potrebbe causare problemi
d’adesione e, magari, influenzare le
prestazioni del mezzo di protezione applicato. Si può quindi definire che, nonostante i progressi nelle nuove tecnologie, quali i flussanti ‘no clean’, il lavaggio sia tuttora
un processo multi-stadio essenziale
all’interno dell’industria elettronica.
Infine, vi sono anche stadi di lavaggio richiesti per la rimozione di rivestimenti e adesivi quando è necessaria la rilavorazione, per il lavaggio dei componenti stessi e in caso
di manutenzione della linea di produzione.
Vantaggi dei detergenti
a base d’acqua
Con le problematiche ambientali sempre in prima linea molti fabbricanti d’elettronica abbandonano
i tradizionali agenti di lavaggio con
solvente, che impiegano prodotti
chimici dannosi per l’ozono oppure presentano un alto contenuto di
VOC (Volatile Organic Compound
– composto organico volatile), rimpiazzandoli con alternative più sicure. Sebbene molti detersivi con solvente permettano di effettuare un
conveniente processo di lavaggio a
Fig. 1 – Safewash Total (SWAT) è un liquido di cleaning a base acqua prodotto
con un’avanzata tecnologia chimica
singolo stadio, i detersivi a base acqua presentano numerosi vantaggi,
inclusa la proprietà di non infiammabilità, sono poco odorosi, hanno
VOC basso o nullo e tossicità minima. Sia si tratti di un tipo d’applicazione con ultrasuoni, sia di spray in
immersione o di lavaggio tipo lavastoviglie, è essenziale identificare il
detersivo a base acqua più adatto per
lo specifico lavoro.
Tali prodotti utilizzano una tecnologia surfatante per promuovere la rimozione di contaminanti da un pcb, riducendo le tensioni interfacciali e sospendendoli o emulsionandoli nella soluzione. Alternativamente, gli agenti di
rimozione di flussante a base acqua lavorano tramite saponificazione, neutralizzando gli acidi del flussante.
Il solo maggior svantaggio dei
detersivi a base acqua è che essi richiedono stadi multipli per completare il lavaggio, incluso un processo a due stadi e un’asciugatura finale. Infine, vi è anche un recentissimo
tipo di detersivo a base acqua privo
di surfatante. Basati su glicoli, questi detersivi combinano i vantaggi di
quelli a base acqua e quelli a base
solvente, richiedendo un minimo risciacquo.
Un esempio concreto
Safewash Total (SWAT) (Fig. 1) offerto da Electrolube Ltd è un esempio di questa più avanzata tecnologia di lavaggio a base acqua. Essa offre molti benefici quali la versatilità
d’uso, che include la sua adattabilità a un’ampia gamma di tipi differenti d’apparecchiatura e di processo, oltre alla sua capacità di rimuovere un ampio spettro di contaminanti (Fig. 2).
Safewash Total è anche adatto per
flussanti lead-free e no-clean, residui di crema e d’adesivo, oltre ad essere in grado di rimuovere contaminanti generici quali il grasso e la
polvere. Inoltre, Safewash Total offre molti benefici per l’utente e per
l’ambiente. Fornito in forma concentrata, il prodotto può essere usato in una vasta gamma di concentrazioni in funzione del metodo d’applicazione e contiene anche un inibitore di corrosione d’impiego sicuro su metalli sensibili quali il rame,
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l’argento e l’alluminio. La
fornitura in forma concentrata riduce anche il costo di
trasporto, sia in termini monetari sia ambientali.
Cosa s’intende
per “pulito”
Con il mercato del lavaggio in continuo sviluppo per soddisfare le richieste
d’espansione dell’industria,
è importante che sia chiaramente definito il livello di
pulizia richiesto.
Una parte significativa di
residui di flussante e di contaminanti potenzialmente dannosi non è visibile a occhio nudo e neppure con
l’aiuto di una lente d’ingrandimento. È quindi di vitale importanza
usare il metodo corretto per determinare che il livello di pulizia raggiunto soddisfi lo standard specificato dal tecnico d’elettronica.
Vi sono due tipi di residui: ionico e non ionico, e ci sono numerosi
metodi che possono determinare il
livello di contaminazione dopo il lavaggio e descrivere accuratamente il
termine ‘pulito’.
Residui ionici
I residui non ionici includono colofonia, oli e grassi; non sono conduttivi, sono normalmente di tipo organico e permangono sulla scheda dopo
la sua fabbricazione o l’assemblaggio.
Essi hanno proprietà isolanti che rappresentano un problema quando sulle
schede sono utilizzati contatti o connettori ad inserzione.
Questi residui possono causare scarsa adesione di solder mask,
conformal coating e composti per
inglobamento, oltre ad incapsulare
contaminanti ionici e detriti estranei. Di solito i metodi di test includono l’ispezione visiva con len-
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te d’ingrandimento congiuntamente ad altri metodi analitici, quali la spettroscopia FTIR (Fourier
Transform Infrared Spectroscopy).
Residui non ionici
I contaminanti ionici di solito sono residui di flussante oppure materiali dannosi, lasciati dietro dopo
saldatura.
I residui idrosolubili organici o
inorganici che possono disperdersi
in una soluzione come ioni con carica aumentano la conduttività globa-
le di quella soluzione. Essi
possono degradare l’affidabilità del componente elettronico e della scheda contribuendo alla dispersione di corrente fra i circuiti,
causando corrosione e promovendo la crescita di dendriti. Mentre entrambe le
contaminazioni sia ioniche
sia non ioniche influenzano
il funzionamento e l’affidabilità del dispositivo su cui
sono presenti, la contaminazione ionica è di gran lunga
la principale causa di guasto.
Il ROSE (Resistivity of
Solvent Extract) è un comune metodo per determinare il grado di contaminazione ionica e consiste nel misurare la Resistività dell’Estratto di
Solvente; è conosciuto anche come
SEC (Solvent Extract Conductivity
– Conduttività dell’estratto di solvente).
Lo standard industriale IPCTM-650 impiega una soluzione
d’isopropanolo e d’acqua deionizzata per estrarre i contaminanti, mentre lo strumento misura la variazione di conduttività. Questo tipo di
Fig. 2 – Il Safewash Total si adatta a qualsiasi macchina di pulitura
test è ampiamente accettato e offre rapidi risultati; potendo però essere restrittivo possono anche essere usati due ulteriori metodi per
fornire dati valutabili. Questi sono
il metodo SIR (Surface Insulation
Resistance – Resistenza d’isolamento superficiale) e il metodo IC (Ion
Chromatography – Cromatografia
ionica).
Il controllo della soluzione
del lavaggio
Oltre al livello di contaminazione
dopo lavaggio, è essenziale il controllo della soluzione di lavaggio
stessa.
Il metodo di controllo della soluzione dipenderà dai componenti
chimici usati nel lavaggio e dalla tipologia dei residui che devono essere rimossi. In ogni caso saranno qui
discussi alcuni possibili metodi.
I residui acidi di flussante generalmente abbassano il pH e aumentano la conduttività, pur essendo poco influenzati dalle variazioni
nella concentrazione.
L’indice di rifrazione, o BRIX,
fornisce una misura del livello di
solidi nel detersivo. Sebbene questo possa dare alcune indicazioni
del livello di contaminazione, le variazioni nel tempo dell’indice di rifrazione della soluzione sembrano
più essere risultato della variazione di concentrazione della soluzione, spesso influenzata dall’estrazione della soluzione di lavaggio dentro il ciclo di risciacquo.
Tutti questi metodi sono semplici e richiedono l’uso di uno strumento di misura relativamente economico. La misura di temperatura
del vapore è un altro metodo alternativo per controllare la soluzione.
Riscaldando semplicemente un piccolo campione della soluzione di lavaggio e annotando la temperatura
Fig. 3 – Differenze di comportamento elettrico fra una soluzione SWAT e
una soluzione generica contaminata al variare della concentrazione in acqua
deionizzata
alla quale esso si vaporizza si avrà
l’indicazione se la soluzione abbia
subito una forte contaminazione o
se la concentrazione sia calata a causa dell’evaporazione.
Un soluzione ottimale
Il lavaggio efficace dei pcb e dei
componenti associati è una parte essenziale della produzione elettronica. Esso aumenta l’affidabilità delle schede e permette di eseguire in
piena sicurezza le operazioni di rivestimento e incapsulamento.
Il tipo di detersivo scelto dipende
ampiamente dalle condizioni di fabbricazione. Inoltre, la corretta impostazione dei parametri per ciascuna
particolare applicazione è imperativa al fine di ottenere un lavaggio
di successo. Electrolube Ltd offre
una gamma di detersivi a base solvente e a base acqua, combinata con
un efficiente supporto tecnico per
assicurare che questo sia possibile. La gamma Electrolube Safewash
è la famiglia più efficace di prodotti di lavaggio acquoso disponibile ed è attualmente in uso da parte dei principali fabbricanti, in un
gran numero di macchine di lavaggio. I prodotti lavano in conformità
agli standard militari e commerciali, al minimo costo monetario e ambientale.
L’arrivo di Safewash Total ha assicurato l’ampliamento della gamma
per fornire prestazioni superiori di lavaggio, permettere flessibilità di processo e soddisfare il rispetto delle imposizioni ambientali imposte ai moderni produttori d’elettronica.
*Jade Bridges – Technical Support Specialist; Amanda
Stuart – Development Chemist Electrolube Ltd
www.electrolube.com
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▶ SPECIALE - LAVAGGIO
Il processo di pulizia
con Flip Chip a ridotto
standoff
Con gli I/O dei Flip Chip in costante aumento, i problemi di affidabilità
spingono gli ingegneri a studiare i vantaggi della rimozione dei residui di
flussante prima di procedere con le operazioni di underfill. La rimozione
dei residui di flussante sotto i Flip Chip richiede considerazioni progettuali
avanzate per quello che riguarda la separazione meccanica dei residui
stessi e la composizione dei fluidi di pulizia
di Mike Bixenman, Jason Chan e Phil Zhang*
P
rogetti meccanici migliorati
e l’introduzione di flussanti
solubili in acqua permettono
di implementare processi che utilizzino acqua deionizzata come unico
fluido di pulizia. Il problema è che
l’I/O dei Flip Chip cresce costantemente e gli assemblatori segnalano
che la sola acqua deionizzata non
pulisce più in modo ottimale certi
tipi particolari di package. Il presente articolo tratta di una possibile
soluzione al problema usando soluzioni con una bassa tensione superficiale che incrementano le proprietà
di bagnabilità, la penetrazione e la
rimozione dei residui di flussante al
di sotto degli assemblati Flip Chip.
L’avanzato fluido di pulizia di cui si
tratta nel presente articolo aumenta
l’affidabilità dei Flip Chip, migliorando nel complesso le attività produttive.
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Introduzione
La tecnologia Flip Chip offre importanti vantaggi come l’aumento della distribuzione di segnali veloci, permette
di ottenere alte performance, interconnessioni più corte e presenta costi più
bassi. I Flip Chip hanno la potenzialità di diventare il migliore package disponibile proprio per la loro capacità
intrinseca di accrescere la densità I/O.
Tuttavia, i dati suggeriscono che i residui di flussante che si depositano sulla
superficie di un die Flip Chip durante la
fase di reflow diminuiscono l’affidabilità
e la possibile resa produttiva. Siccome la
domanda di package Flip Chip è in aumento, gli assemblatori hanno necessità di linee di assemblaggio ad alta velocità per confezionare, pulire, sottoporre
a underfill e sottoporre a test i componenti prima del successivo livello d’integrazione.
L’assemblaggio preliminare di
Flip Chip è incentrato sulla progettazione di materiali di flussaggio a
basso contenuto di residui che non
necessitino di essere puliti. Lo scopo è quello di creare un flussante
che dimostri compatibilità con l’underfill capillare. L’underfill deve garantire una copertura uniforme al di
sotto del die per prevenire la formazione di void. I dati a nostra disposizione suggeriscono che i void
nell’underfill riducono l’affidabilità
nel corso della vita del package. I residui di flussante al di sotto del die
possono impedire il flusso capillare dell’underfill portando infatti alla formazione di void. Nel momento in cui il numero dell’I/O inizia a
crescere gli ingegneri trovano vantaggioso rimuovere i residui di flussante prima che il die venga sottoposto a underfill.
Definizione del problema
Il rapido emergere e l’adozione
dei processi di lavorazione dei chip
a dimensioni inferiori al micron con
alti I/O hanno fatto da traino a nuove richieste da parte dell’industria
del packaging. Il numero dei bump e
degli I/O stanno crescendo, mentre
le dimensioni del die e gli ingombri
si stanno riducendo. Nel momento
in cui gli I/O crescono di numero,
lo spazio fra il die e la superficie del
pcb si riduce e questo crea ulteriori difficoltà quando si devono attuare efficaci processi di pulizia. Il problema è che questi processi che utilizzano solo acqua deionizzata hanno difficoltà nel raggiungere il 100%
della pulizia, soprattutto con l’aumento degli I/O e con la riduzione delle dimensioni. Inoltre, la saldatura senza piombo richiede temperature di reflow più elevate, il che
rende il processo di pulizia ancora
più difficile.
La tensione superficiale dell’acqua deionizzata a 82 °C (180 °F) è
di circa 60 dyn/cm. La tensione superficiale può essere pensata come
una specie di palloncino che copre
il fluido di pulizia. Se le gocce d’ac-
Fig. 1 - Solvente ricco di flussante
qua sono deboli e minute, il fluido
può muoversi con facilità attraverso
gli spazi ristretti presenti fra queste.
L’attrazione o la repulsione capillare è una forza che deriva dall’unione
dell’adesione, della coesione e della tensione superficiale del fluido di
pulizia quando questo viene in contatto con il residuo di flussante al di
sotto del die. Le forze capillari possono lavorare in accordo o in contrasto con il processo. Fluidi ad alta
tensione superficiale, quali ad esempio l’acqua deionizzata, facilitano la
bagnatura iniziale sotto il die. Un
processo di miglioramento può essere attuato aggiungendo piccole
quantità di fluido di pulizia che presenti una bassa tensione superficiale.
accrescendo l’azione capillare e migliorando il livello di pulizia. Il fine
di questo studio è quello di comunicare i miglioramenti nel processo di pulizia a partire dall’introduzione di un fluido studiato all’occorrenza, migliorando i risultati di pulizia dello spray in aria a base d’acqua. Il fluido di pulizia migliora la
bagnabilità della sostanza pulente e
l’asciugabilità del liquido usando livelli di ppm degli agenti superficiali attivi.
Letteratura
Un processo di cleaning ottimizzato fornisce l’energia chimica e meccanica capace di penetrare e rimuovere residui di flussante al
di sotto degli assemblati Flip Chip.
Capire l’equilibrio che esiste fra le
forze che governano lo stato chimico e quello meccanico è fondamentale per prevedere e ottimizzare le
variabili di processo.
La temporizzazione e la sequenza
degli eventi in un processo di cleaning sono elementi critici. Ogni sezione o passo del processo richiede
un ragionamento accurato. Nel momento in cui lo spazio presente fra
il substrato e la parte inferiore del
componente diminuisce, l’esperienza ci dice che le operazioni di cleaning diventano più difficili.
I sistemi di pulizia in-line a spray
in aria riducono il tempo di pulizia
sotto il die Flip Chip. La meccanica dei fluidi suggerisce che l’energia
fornita alla superficie è uguale alla
massa per la velocità al quadrato.
La pressione sulla superficie da
sottoporre a pulizia dipende dal tipo
di ugello, dalle forze direzionali e da
quanta distanza c’è fra fra l’ugello e
Fig. 2 - Solvente povero di flussante
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Fig. 3 - Ingombro
dei bump e Standoff
il bordo del die. La massimizzazione dell’energia fisica immessa nello
spazio sotto il componente richiede
una pressione ottimale che diriga lo
spray su tutti e quattro i lati del die.
Una volta che i fluidi di pulizia
iniziano a penetrare nello spazio
sotto il die, gli esperimenti rivelano
uno dei due possibili meccanismi.
Per residui particolarmente tenaci, il cleaning concentrico rimuove i
residui di flussante in diametri concentrici crescenti mediante la dissoluzione del flussante nella soluzione di pulitura. I residui di flussante più morbidi vengono eliminati a
una maggiore velocità canalizzando
il fluido di pulizia in canali di rapido sviluppo all’interno della massa
del flussante di reflow.
Diverse variabili puntano al gra-
do di difficoltà di pulizia dei residui
di flussante. Più alte temperature di
reflow induriscono le resine presenti nel flussante, aumentando con ciò
la difficoltà di pulizia. Aree in cui il
flussante è esaurito provocano una
carbonizzazione dei bordi dei residui di flussante rendendo più difficile la loro pulizia. Al contrario, i Flip
Chip assemblati sottoposti a reflow
in atmosfera d’azoto presentano una
ridotta ossidazione durante la fase
di reflow e una maggiore facilità nel
renderli puliti.
Il flussante presente al centro del
die è più morbido e più facilmente
eliminabile mediante pressione diretta dello spray e per gli effetti di
minore tensione superficiale. Il processo di saldatura provoca un surriscaldamento che porta le moleco-
Fig. 4 - Spray diretto e spray laterali su un die
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le di solvente verso il centro del die,
creando una zona ricca di solvente.
Tale zona è più morbida e più facilmente penetrabile, quindi più facilmente dissolvibile.
Al contrario, a fianco delle superfici surriscaldate ed esposte viene a
crearsi una zona povera di solvente.
Quando una zona è povera di solvente, questo si indurisce e si cristallizza, pertanto diventa molto più difficile eliminarlo o ammorbidirlo da
parte degli agenti di pulizia . Questo
avviene normalmente ai quattro angoli del die. La Fig. 1 illustra una zona ricca di solvente, mentre la Fig. 2
illustra una zona povera.
Forza dinamica di pulizia
L’obiettivo dei sistemi di pulizia a
spruzzo è quello di ridurre il tempo di pulitura accrescendo la forza
di spinta.
Aumentando l’energia fisica esercitata sulla superficie del Flip Chip
aumenta il fattore di penetrazione
intorno ai solder bumps di dimensioni più ridotte. I progetti standard
di pulizia in linea usano un collettore spray perpendicolare al piano.
Nei sistemi a spruzzo vengono usati
ugelli per creare getti che esercitano
una forza sulla superficie della parte
da sottoporre a pulitura, a bagnatura
e a successiva asciugatura.
Il progetto e il layout dell’ugello richiede una comprensione totale della pressione e delle forze direzionali esercitate sulla superficie di contatto. Ugelli a forma conica o a ventaglio producono un getto capace di coprire vaste aree, a scapito della massa per unità e velocità dello spruzzo che vengono ridotti. Spruzzi coerenti si mantengono
invece uniti più a lungo ed esercitano più energia su aree più piccole richiedendo un numero maggiore
di ugelli e maggiori quantità di flus-
Tabella 1 - Paragone fra i differenti getti di fluido
Tipo di spray
Pressione tipica a 2”,
50-psi man./pressione
perdita di pressione/poll.
Uso indicato
2 psi/ ¾50% gocce/pollice
Larga copertura,
sovrapposizione,
alta pressione
in distanze
di lavoro
ravvicinate
A ventaglio/a delta
dirigono il getto a pressione sui lati del die (Fig. 4). Gli ugelli a delta/
ventaglio collocati in prossimità dei
quattro lati del die migliorano l’efficacia della pulitura al di sotto del
die. L’orifizio degli ugelli di maggiori dimensioni accresce lo scambio
volumetrico, visto che una maggiore
quantità di fluido viene fatto passare con forza nelle cavità del die, migliorando in tal modo i risultati del
processo di cleaning.
Forze statiche di pulizia
Conico
0,4 psi / ¾75% gocce/pollice
La più vasta
area di
copertura, la più
bassa energia
cinetica, per
applicazioni di
ruscellatura
10 psi / ¾25% gocce/pollice
Copertura
inferiore, la più
alta densità
energetica su
lunga distanza
Coerente
so. La Tabella 1 illustra un paragone fra i differenti getti di fluido.
Gli assemblati Flip Chip sottoposti a processo di pulizia in macchine
standard in linea ad alta pressione
subiscono un contatto superficiale
con una forza di penetrazione esercitata con un certo grado di deflessione che permette al getto di penetrare al di sotto del die. Flip Chip
con un gran numero di I/O portano a un aumento delle dimensioni
dei bump e del loro ingombro, riducendo contemporaneamente l’ingombro totale e l’altezza di standoff
(ved. Fig. 3). Le perdite di energia
sulla superficie di contatto riducono
la finestra di processo e diminuiscono l’efficienza di pulitura al di sotto
di die di grandi dimensioni.
Per ovviare a questa deficienza,
gli ingegneri progettisti di sistemi
meccanici di cleaning a spray hanno progettato ugelli di supporto che
I fluidi di pulizia possono variare nella loro progettazione per quello che riguarda la solubilità, la saponificazione, la tensione superficiale,
l’inibizione e le caratteristiche deschiumanti.
I migliori fluidi di pulizia ottimizzano e gettano le basi per caratteristiche di efficienza che, in combinazione fra loro, portano a termine diversi compiti. Per pulire al di
sotto dei Flip Chip presenti su un
assemblato, la progettazione deve
tenere conto e migliorare per quanto possibile il tasso di pulizia statica, la bagnabilità, mentre la tensione superficiale e la produzione di
schiuma devono essere le più basse possibili tenedo poi conto, naturalmente, la protezione delle leghe
metalliche con cui il fluido viene in
contatto.
Il tasso di pulizia statica richiede
materiali che ammorbidiscano e solubilizzino rapidamente la base del
flussante immediatamente dopo il
contatto. Per rimuovere e saponificare i residui di flussante solubili in
acqua, la sfida è quella di ottenere un
materiale che scorra a bassa concentrazione con un’accresciuta capacità pulente grazie agli effetti del processo di bagnabilità . Sebbene le caratteristiche del flussante solubile in
acqua presentino delle caratteristi-
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lari additivi che riducono il rischio
di corrosione da parte di agenti alcalini. Infatti, quando ad esempio il
fluido detergente dilava dello Sn/Pb
dalla superficie della saldatura possono presentarsi dei giunti di saldatura indeboliti. Fluidi progettati in
modo opportuno producono invece giunti di saldatura inattaccabili
dall’aggressione chimica, rendendoli brillanti e splendenti.
Fig. 5 - Effetti della tensione superficiale
che comuni, esistono delle differenze per quello che riguarda il tasso di
pulizia statica. Aziende di produzione di sostanze chimiche detergenti,
che studiano diversi tipi di sporco e
progettano fluidi detergenti universali, aprono la finestra di processo e
permettono agli utilizzatori di selezionare diversi tipi di flussanti solubili in acqua senza che questi esercitino un qualche impatto sul processo di pulizia.
La schiuma rappresenta un parametro critico quando vengano usati
sistemi dalla grande forza meccanica. La schiuma aumenta la tensione
superficiale e permette a milioni di
bolle di penetrare nel fluido detergente. La schiuma fa sì che la pompa di erogazione vada in cavitazione
riducendo l’efficacia detergente nei
punti di minore standoff.
La schiuma è poi strettamente dipendente dalla concentrazio-
Fig. 6 - Studio sulla schiuma
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Progetto di fluidi detergenti
ne. Quando si esegue la pulizia al di
sotto del die Flip Chip, l’utilizzatore deve conoscere quali siano le caratteristiche schiumogene del fluido
detergente. I fluidi detergenti, con
potere schiumogeno minimo o assente a concentrazioni basse o elevate rappresentano la scelta migliore quando si debba detergere spazi
ridotti di standoff.
La saponificazione è un metodo comune di pulizia dei residui di
flussante. I materiali alcalini reagiscono con la struttura della resina
formando un sapone solubile in acqua.
La maggior parte dei fluidi a base acquosa utilizzano certe forme di
saponificazione. La saponificazione
incrementa il tasso di pulizia statica,
ma può anche corrodere la metallizzazione. Per proteggere le leghe e
altri metalli morbidi, è possibile utilizzare piccole quantità di partico-
Gli assemblatori di Flip Chip si
rendono conto che i fluidi detergenti progettati correttamente aumentano le capacità produttive della linea e l’affidabilità dei prodotti
quando riescono a rimuovere i residui di flussante solubili in acqua al
di sotto dei die Flip Chip. Le caratteristiche ottimali del progetto di un
fluido detergente sono le seguenti:
- bassa concentrazione (1-5%) di
diluizione del liquido presente
nella sezione lavaggio della macchina;
- nessuna schiuma a qualsiasi concentrazione;
- basso livello di VOC/BOD/
COD;
- leggero livello di saponificazione
per dissolvere rapidamente i residui di flussante solidificato;
- bassa tensione superficiale e limitati effetti di bagnatura;
- inodoro;
- nessuna capacità di attacco sui
bump di saldatura durante il
processo di lavaggio.
Un fluido di nuova concezione
deve rispondere a tutti i requisiti
citati. Il fluido detergente migliora
quando si trova a basse concentrazioni nella sezione di lavaggio della
macchina. Gli assemblatori di Flip
Chip segnalano che la pulizia è ottimale a concentrazioni del 3-5%.
La tensione superficiale misura la
Fig. 7 – Residuo sotto il flip chip prima…
tendenza di un liquido a “bagnare” una
superficie. L’acqua ha proprietà bagnanti minime, visto che presenta una
tensione superficiale che di solito si attesta su valori di 72 dyn/cm. La Fig. 5
presenta la riduzione della tensione superficiale di un fluido detergente paragonato all’acqua deionizzata. Le misurazioni dinamiche mostrano una riduzione sensibile nella tensione superficiale a basse concentrazioni in acqua
deionizzata. La riduzione della tensione
superficiale permette di pulire assemblati di grandi dimensioni e saldature
prive di piombo.
Studi sulla schiumosità illustrano
gli effetti della concentrazione; la
temperatura e la forza di taglio hanno effetti sulle proprietà schiumogene dei composti chimici del detergente a base d’acqua. Duecento
millilitri di una soluzione diluita in
acqua deionizzata vengono portati alla temperatura richiesta, mentre una notevole forza di taglio viene esercitata per 30 secondi e immediatamente trasferita in un cilindro
graduato di 1000 ml. La Fig. 6 mostra una tendenza limitata alla produzione di schiuma a una temperatura di 48 °C (120 °F) e superiore. A
Fig. 8 - …e dopo la fase di lavaggio
una temperatura inferiore ai 48 °C i
dati puntano su una produzione inferiore di schiuma.
Le Figg. 7 e 8 illustrano la fase
precedente e successiva il processo di cleaning. I fluidi di pulizia rimuovono in modo efficace tutto il
flussante sotto gli assemblati Flip
Chip. Gli assemblati Flip Chip sono stati sottoposti a lavaggio in una
macchina di cleaning che utilizza i
seguenti parametri di processo:
- 5% di concentrazione di fluid
temperatura di lavaggio a 65 °C
(150 °F);
- velocità del nastro trasportatore
di 2 FPM (61 cm/min)
- sezione di lunghezza del lavaggio
= 48 pollici
Un ingrandimento di 300-X mostra come il fluido detergente non
abbia corroso i bump.
Raccomandazioni
Il rapido emergere e l’adozione di processi che coinvolgono chip
al di sotto del micron accrescono le
dimensioni del die e il numero dei
bump presenti al di sotto di questo.
Inoltre, le alte temperature di re-
flow a cui si deve arrivare ad esempio nelle saldature senza piombo o
in piombo aumentano le difficoltà
di cleaning.
Per aumentare la produttività e
l’affidabilità del prodotto con un
minore impatto ambientale, un detergente studiato all’occorrenza può
permettere di eseguire il processo per la pulizia di assemblati in cui
siano presenti Flip Chip in macchine di cleaning in-line a spray a base
d’acqua. Il fluido di pulizia abbassa
la tensione superficiale migliorando
nel contempo la bagnatura e la capillarità. Gli autori racomandano un
3-5% di concentrazione del fluido di
pulizia nell’acqua deionizzata nella
sezione di lavaggio della macchina.
L’intervallo di temperatura consigliato è fra i 60 e gli 82 °C (140180 °F).
Gli ugelli spray diretti verso i lati del die migliorano il livello di pulizia (Fig. 4), mentre le teste spray
perpendicolari al die perdono energia quando si trovano a irrorare die
di grandi dimensioni. In questo caso, avvicinando gli ugelli al die da irrorare permette di limitare le perdite di energia.
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Tabella 2 - Comparazione tra proprietà fisiche
Composti Organici Voltili (VOC) g/ml
120 g/ml al 100%
10,2 g/ml al 10%
2,5 g/ml al 2,5%
Domanda chimica di ossigeno (COD), ppm
41 a 0,1%
Domanda biologica di ossigeno (BOD), 5 giorni, ppm
Tensione superficiale
Nella creazione di un modello standard di spray la progettazione della fixture e il piazzamento del
nastro trasportatore dimostrano di
essere parametri critici. Gli autori consigliano di progettare sistemi
con quattro ugelli puntati sui quattro angoli del die. Non bisogna poi
dimensticare che fixture e meccanismi di trasporto, che garantiscono
strette tolleranze e ripetibilità, rappresentano importanti considerazioni di processo.
Conclusioni
La tecnologia Flip Chip offre importanti vantaggi che accrescono la
distribuzione dei segnali veloci, un
TBM
27-29% a 5%
alto grado di perfornance, interconnessioni ridotte e bassi costi complessivi.
Le dimensioni dei die, il numero
di bump e quello degli I/O crescono costantemente, mentre le dimensioni dei bump di saldatura e il loro
ingombro decrescono di conseguenza. Così come gli I/O aumentano, lo
spazio compreso fra il die e la superficie della scheda diminuisce, rendendo la fase di lavaggio particolarmente complicata.
Fluidi dotati di alta tensione superficiale come l’acqua deionizzata
facilitano l’iniziale bagnatura della
parte sottostante i die, ma non garantiscono notevoli risultati di pulizia nel momento in cui aumenta-
Bibliografia
M. Bixenman e S. Stach, “Optimizing Cleaning Energy in Batch and Inline Spray
Systems”, in SMTA Technical Conference, Donald Stephens Convention Center,
Rosemont, IL, settembre 2004.
M. Bixenman e S. Stach, “Optimized Cleaning Energy in Electronic Assembly
Spray-in-Air Systems: Phase Two”, in SMTA Technical Conference, Donald
Stephens Convention Center, Rosemont, IL, settembre 2006.
M. Bixenman, “Post-Reflow Cleaning Process Enhances the Reliability of Flip
Chip Packages”, in SEMI Technical Conference, San Jose, CA, luglio 2000.
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Corporation, aprile 2006.
J. Timler, Figure 4 directed spray image, Stoelting – Trek Company, agosto 2006.
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no le dimensioni dei die e aumenta
la temperatura.
Un processo di pulizia ottimizzato
fornisce l’energia meccanica e chimica necessaria per penetrare e rimuovere i residui di flussante al di sotto dei Flip Chip presenti sull’assemblato. Comprendere il grado di equilibrio fra le forze chimiche e meccaniche è fondamentale per prevedere
e ottimizzare le variabili di processo.
L’obiettivo dei sistemi di pulizia basati sulla tecnologia di spray in aria
è quello di ridurre il tempo di pulizia aumentando la forza meccanica del getto. Gli ugelli che indirizzano la pressione del getto verso i bordi del die e incrementano lo scambio
volumetrico migliorano la capacità di
lavaggio. Avanziati fluidi di pulizia a
base d’acqua, che operano con macchine basate sulla tecnologia a spray
in aria, migliorano la bagnabilità e riducono gli effetti della tensione superficiale.
Il sinergico vantaggio delle forze
statiche e dinamiche migliora la resa produttiva e l’affidabilità del processo quando si sottopongono a lavaggio assemblati con presenza di
Flip Chip. La pulizia dei Flip Chip
costituisce una sfida difficile, ma affrontabile usando corrette forze statiche e dinamiche di pulizia. Il presente studio ha introdotto il concetto secondo cui nuovi fluidi di pulizia a base d’acqua offrono indubbi vantaggi. Il fluido di pulizia opera
a basse concentrazioni (3-5%) e non
crea schiuma, caratteristiche queste
che migliorano i risultati di pulizia.
Il fluido di pulizia migliora l’affidabilità e la resa produttiva con un impatto ambientale assolutamente ridotto, non presenta odore e protegge
i bump di saldatura dalla corrosione
durante la fase di cleaning.
*Kyzen Corporation
www.packtronic.it
▶ SPECIALE PRODOTTI - LAVAGGIO
Etichette resistenti
a lavaggi estremi
I danni provocati dai sistemi di lavaggio sulle etichette d’identificazione
applicate sulle schede elettroniche sono un problema di difficile soluzione.
Oggi, tuttavia, con la nuova serie di etichette Ultratemp di Brady, i rischi di
danneggiamento vengono drasticamente ridimensionati
a cura dell’ufficio tecnico Brady
I
n un processo di pulizia, le temperature elevate, le reazioni
chimiche dei solventi e le forze
generate dagli ugelli di spruzzatura
creano un ambiente difficile per le
etichette di identificazione. I progressi compiuti dalla tecnologia di
pulizia hanno aumentato le forze di
impatto del sistema di pulizia per
la presenza di un maggior numero
di ugelli di spruzzatura e per le loro
nuove geometrie. I detergenti chimici sono inoltre sempre più efficaci nel rimuovere i contaminanti e
i residui di saldatura, ma anche più
aggressivi per le etichette. Insie-
me, le condizioni dei più moderni
sistemi di lavaggio sono in grado di
danneggiare l’adesivo o la stampa,
oppure di provocare la delaminazione degli strati nelle etichette di
vecchia generazione non studiate
per tali condizioni estreme.
“Quando, nel campo dell’elettronica, i sistemi di lavaggio delle schede di circuiti stampati hanno iniziato a diventare sempre più
aggressivi, ci siamo resi conto che
sarebbe stata necessaria una nuova generazione di etichette di tracciabilità in poliimmide per garantire la tracciabilità delle schede”, di-
ce Robert Prosser, responsabile globale prodotti e materiali di identificazione per uso industriale di Brady
Corporation. “Diventando più aggressivi, i sistemi di lavaggio richiedono l’uso di etichette adesive con
caratteristiche sempre più sofisticate. I nostri clienti avevano bisogno
di un’etichetta superiore, una combinazione tra un adesivo appositamente studiato per resistere all’alta pressione e alle sostanze chimiche ostili e un materiale di qualità
per l’etichetta, in grado di comunicare un messaggio chiaro, anche se
esposto a temperature estreme”.
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poste da Brady hanno valori di resistività superficiale che rientrano nell’intervallo raccomandato per i materiali
di imballaggio a dissipazione elettrostatica definito nello standard ANSI/
ESD S541-2008 (resistività superficiale da ≥1x104 a < 1 x1011 ohm).
La resistività superficiale di queste etichette deriva dalla loro struttura brevettata, che comporta uno speciale strato di dissipazione elettrostatica a contatto con l’adesivo, un design unico nel settore. Solo le etichette
Ultratemp Brady hanno una resistività superficiale conforme allo standard
ANSI/ESD.
Etichette speciali per microprocessori
sione estremamente precisa in un’ampia serie di processi di produzione. La
stampa duratura assicura la tracciabilità precisa dei semilavorati e dei prodotti finiti.
Le etichette in poliimmide prodotte da Brady sono conformi alle limitazioni imposte in termini di sostanze dalle normative REACH e RoHS
dell’Unione europea. Gli aggiornamenti di dette normative sono seguiti attentamente per garantire la futura conformità del prodotto. La stretta collaborazione con i rivenditori e
un programma di test sistematici assicura la conformità del prodotto, oggi e in futuro.
Etichette in poliimmide
Una soluzione collaudata
Nuovo adesivo ESD
Il team di chimici di Brady ha sviluppato una formulazione adesiva
all’avanguardia, studiata per sopportare tutte le condizioni difficili del riflusso e della pulizia con acqua, evitando nel contempo i danni causati
dalle scariche elettrostatiche (ESD).
Consolidando la tecnologia utilizzata nelle precedenti generazioni di etichette, le nuove proprietà chimiche e
la nuova struttura molecolare dell’adesivo sono state ottimizzate per migliorare le prestazioni rispondendo alle complesse esigenze dell’etichettatura delle schede di circuiti stampati. Le
nuove etichette Ultratemp hanno un
adesivo che si lega saldamente alla superficie, ma che è anche robusto e resistente ai detergenti chimici, il che le
rende idonee ai più moderni sistemi di
pulizia. La maggior parte delle schede è sensibile alle scariche elettrostatiche, per cui è essenziale che l’etichetta
applicata sulla scheda dissipi la scarica
che potrebbe danneggiarla.
La resistività superficiale è un indicatore affidabile della capacità dell’etichetta di dissipare le cariche statiche.
Le etichette a dissipazione statica pro-
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Da più di vent’anni, Brady fornisce le migliori etichette di tracciabilità in poliimmide al settore dell’elettronica. Le proprietà e le prestazioni delle etichette in poliimmide sono ideali per resistere alle condizioni estreme
dell’odierno processo di assemblaggio delle schede di circuiti stampati.
Oltre a straordinarie proprietà adesive, le etichette in poliimmide prodotte da Brady garantiscono anche una
stampabilità eccellente per una scan-
Etichetta per applicazioni elettroniche
La nuova serie di etichette Brady
Ultratemp, rigorosamente sviluppata e
testata dal centro di ricerca e sviluppo
interno di Brady, è costituita da nuovi
materiali e adesivi che permettono di
ottenere risultati straordinari nei processi di lavaggio più aggressivi utilizzati per l’assemblaggio delle schede di
circuiti stampati. “Le nuove etichette
di tracciabilità sono state testate per la
resistenza al calore, ai prodotti chimici e all’abrasione in modo da garantire prestazioni ottimali nella saldatura
a riflusso, nella saldatura a onda e nei
sistemi di lavaggio aggressivi”, aggiunge Tim Van den Eede. “Le etichette
restano integre e leggibili per tutto
il processo di produzione delle schede di circuiti stampati. Grazie alle caratteristiche adesive migliorate, queste etichette sono in grado di resistere a temperature di picco di 300 gradi Celsius mantenendo l’integrità della stampa e dei materiali. Brady ha ricevuto rapporti di compatibilità per le
nuove etichette UltraTemp da Kyzen
e Zestron, ed entrambi dimostrano
che le etichette sono in grado di resistere ai detergenti chimici di ultima
generazione”.
Un’etichetta
sviluppata per
l’applicazione
automatica
“La resistenza e l’affidabilità delle etichette per schede
di circuiti stampati dipende
dagli adesivi utilizzati e dalla qualità dei materiali impiegati. Altrettanto importante è
adeguare la struttura dell’etichetta affinché sia utilizzabile nei sistemi di etichettatura automatici”, afferma Tim
Sistema per l’applicazione automatica di etichette
Van den Eede, responsabile
marketing prodotti di Brady.
“pulita” rappresenta una soluzione in“La qualità dei materiali rappresennovativa in cui le etichette sono fissata, nel complesso, quasi l’80% dell’afte a un rivestimento (materiale di supfidabilità nell’applicazione automatica
porto) dopo la fustellatura. Il vantagdelle etichette. Il centro ricerca e svigio consiste nel fatto che non vi posluppo di Brady ha sviluppato materiali
sono essere fuoriuscite di adesivo nelin poliimmide appositamente studiala fustellatura a temperature eccessive.
ti per l’applicazione automatica e maIn tal modo, si eliminano i tempi di
teriali per l’etichettatura automatizzainattività dovuti al mancato posiziota di schede di circuiti stampati. Nelle
namento delle etichette o a un rivestinuove etichette Ultratemp per l’identimento discontinuo. La tecnologia del
ficazione e la tracciabilità delle schede
rivestimento “pulita” garantisce la redi circuiti stampati sono confluite tutte
golarità del ciclo di produzione anche
queste conoscenze e competenze”.
a temperature elevate.
Una tecnologia del
rivestimento “pulita”
La tecnologia del rivestimento “pulita” è studiata specificamente per ottimizzare i processi di produzione con
applicazione automatica, per i quali
velocità e affidabilità sono fattori fondamentali, poiché riduce nettamente i tempi morti causati dagli inconvenienti nell’applicazione delle normali
etichette di identificazione. Dato che
le dimensioni di componenti e schede
diventano sempre più ridotte, una tecnologia del rivestimento “pulita” contribuisce a garantire il posizionamento preciso dell’etichetta necessario per
identificare gli elementi più piccoli.
La tecnologia del rivestimento
Nove nuove etichette di
qualità da consigliare
Grazie alle molteplici opzioni, tra
cui etichette a dissipazione statica, vari spessori di substrato e fissaggio manuale o automatico, la serie
UltraTemp è particolarmente idonea
attuali per i processi utilizzati nell’etichettatura delle schede di circuiti
stampati. Gli speciali materiali di sostegno, come un rivestimento per applicazione automatica, garantiscono
un uso senza alcun tipo di inconveniente negli impianti di etichettatura
automatica. “Brady collabora con alcuni dei più grandi produttori di elettronica al mondo”, aggiunge Robert
Prosser. “Questo ci permette di abbinare approfondite conoscenze di elettronica
alla nostra offerta di prodotti di qualità per fungere realmente da partner per i nostri
clienti e fornire soluzioni altamente personalizzate in risposta a qualunque esigenza
specifica di una determinata
applicazione”.
Le etichette in poliimmide di Brady sono prodotte
secondo processi certificati
ISO-9001 e ISO/TS-16949
e omologate UL-CSA. Sono
disponibili dimensioni standard e formati speciali personalizzati
in base alle esigenze del cliente. I relativi nastri di stampa sono adeguati
ai materiali delle etichette affinché la
stampa sia resistente a una serie di solventi e processi di lavaggio.
Partner nella tracciabilità
Da anni Brady è un partner fidato
nel campo della tracciabilità di schede di circuiti stampati, componenti
per telefonia e componenti per il settore automobilistico. “Siamo in continua evoluzione per sostenere i nostri clienti con soluzioni di tracciabilità adatte a settori esigenti”, conclude Robert Prosser. “La nostra nuova
serie di etichette UltraTemp è frutto
della stretta collaborazione con partner che operano nel campo della pulizia delle schede di circuiti stampati, una collaborazione che consente di
proporre una soluzione di tracciabilità collaudata. Le nostre nuove etichette UltraTemp sono state testate in vari processi di produzione e hanno dato prova di straordinari miglioramenti
in termini di adesione dell’etichetta rispetto ai prodotti attualmente reperibili in commercio”.
www.bradycorp.com.
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▶ SPECIALE PRODOTTI - LAVAGGIO
Lavaggio accurato
per prodotti affidabili
Il lavaggio riguarda tanto le schede assemblate
quanto gli stencil e i filtri di flux management
e, all’interno del processo produttivo, diventa
un passaggio essenziale per l’affidabilità del
prodotto finale
di Paolo Paolucci
no a loop chiuso, senza necessitare di
scaricare né il liquido di lavaggio né
quello di risciacquo. La parte DI è gestita da un controllore di microsimens
che garantisce il rispetto tempi di risciacquo in relazione alla conducibilità impostata dal cliente.
i-tronik da anni distribuisce e assiste questi sistemi, arrivando a superare oltre le settanta unità installate.
Super SWASH
N
ella ricerca della soluzione
per il proprio processo di
lavaggio ci sono vari aspetti
da prendere in esame, infatti la scelta
non può limitarsi a considerare unicamente la lavatrice e il materiale di
consumo. Un ruolo differente è giocato per esempio dalla totale pulizia
della superficie di un pcb rispetto
a uno stencil; diverse ancora le problematiche introdotte dal lavaggio
dei filtri dei forni. Vanno considerati i tempi di processo disponibili, lo
spazio e lo smaltimento dei residui.
Eguale importanza riveste il supporto
e l’assistenza del distributore.
Con ben otto famiglie di lavatrici
PBT è uno dei maggiori produttori di
sistemi di lavaggio esclusivamente dedicati al settore della produzione
elettronica; presente sul mercato
da oltre vent’anni, i sui sistemi sono concepiti per poter eventualmente lavare, anche con un unico
liquido, sia i circuiti stampati che
i telai di serigrafia. La diversificazione dei settori da cui arriva la richiesta
di lavaggio (ferroviario, telecomunicazioni, industriale, etc) ha contribui-
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to a realizzare macchine in cui l’efficacia del lavaggio si accompagna alla diminuzione dei costi di gestione, quello del consumo dei liquidi di lavaggio
in particolare. Tutte le lavatrici lavora-
Fig. 1 - La Super SWASH è una
lavatrice caratterizzata da consumi
ridotti di liquido e maggiore efficienza
in fase di asciugatura
Il sistema Super SWASH (Fig. 1)
è la lavatrice con minor consumo di
liquido e maggiore efficienza in fase di asciugatura. Soddisfando le esigenze di molti assemblatori fornisce
in un’unica soluzione la possibilità di
lavare stencil serigrafici e pcb di qualsiasi complessità. Utilizzando la tecnologia spray in aria, lavora con detergenti a base acquosa.
Introdotta sul mercato nel
2009 è stata oggetto di continui
miglioramenti, grazie all’esperienza accumulata sia presso grosse aziende di livello internazionale che presso OEM
ed EMS che l’hanno utilizzata
tanto per il lavaggio degli stencil (in alcuni casi raggiungendo i 150 cicli giornalieri) quanto per il lavaggio di sofisticati pcb
con a bordo componenti quali
CSP, BGA e LGA.
Lavaggio e risciacqui lavorano a
loop chiuso, con pompe dedicate ad
ogni ciclo
Lo speciale sistema spray di lavaggio e la potenza della lama di
aria calda per l’asciugatura rendono
la produttività del sistema comparabile con quella dei potenti sistemi in
linea, occupando al contrario un limitato spazio operativo e richiedendo un basso consumo di acqua e di
energia elettrica. La lavatrice è concepita per poter lavorare con diversi detergenti, lasciando la libertà di
impostare differenti processi di lavaggio, come per esempio per i pallet di saldatura, o di utilizzare due
differenti cleaner o, comunque, di
poter personalizzare a piacere le fasi di lavaggio.
Tra le caratteristiche del sistema
vanno ricordate:
- Basso livello di inquinamento del
liquido di risciacquo a opera del
detergente grazie alla lama d’aria
programmabile in funzione di
quanto si sta lavando;
- Filtraggio al 100% sia del liquido
di lavaggio che di quello di risciacquo;
- Risciacquo con acqua deionizzata;
eseguito a loop chiuso consente la
totale pulizia del liquido;
- Interfaccia operatore touch screen e tracciabilità (inclusi i valori
di pressione dei nozzle e il grado
di pulizia finale mediante misura
della conduttività del liquido di risciacquo).
La lavatrice è compatibile con diversi tipi di agente, in particolare è
possibile lavorare con solventi a base
acquosa, solventi a base semi-acquosa e con detergenti.
Il risciacquo avviene per mezzo di
acqua demineralizzata, opportunamente separata dal liquido di lavaggio, il sistema può essere equipaggiato
fino a tre impianti a loop chiuso.
Un sistema di asciugatura sotto
vuoto assicura il veloce trattamento
anche dei componenti più delicati.
Nuova Stencilclean SIA
La nuova Stencilclean SIA (Fig.
2) è una lavatrice particolarmente
indicata per i telai serigrafici che lavora col sistema spray in aria; la sua
particolare efficacia ne fa un sistema di lavaggio adatto anche per la
pulizia dei sistemi serigrafici PUMP
PRINT e per pcb assemblati o mal
serigrafati.
Il lavaggio è sincrono sui due lati dello stencil, così come l’asciugatura; questo previene il danneggiamento dello stencil. Il risciacquo può esse-
Nuova Moduleclean
Il sistema Moduleclean offre
un ampio ventaglio di possibilità
nell’ambito del processo di lavaggio,
combinando diverse tecnologie finalizzate ad ottenere il miglior risultato:
- US (ultrasuoni);
- SiA (spray in aria);
- Sui (spray in immersione);
- Oui (oscillazioni in immersione);
Progettato con concetto modulare,
il sistema può essere assemblato nella
configurazione più funzionale all’utilizzo che il cliente ne deve fare.
Fig. 3 – La macchina COMPACLEAN di
PBT per lavaggio schede e stencil
Fig. 2 – Nuova Stencilclean SIA per
lavaggio lamine, telai e schede
misprint e saldate
re fatto con acqua normale demineralizzata o solvente fresco. Il controllo è
fatto tramite PLC e l’interfaccia operatore è touch screen. Tra i parametri
controllabili ci sono la temperatura e
la durata del lavaggio, il controllo della conducibilità del liquido.
Tecnologia di controllo
in comune
I sistemi PBT utilizzano il filtraggio al 100% dell’intero volume di liquido circolante. Tutte le lavatrici,
esclusa la Stencilclean, sono controllate da PC su cui gira il sistema operativo Windows.
Il processo è interamente tracciabile, a partire dall’identificazione via bar
code dei prodotti da lavare, sono rilevati i vari parametri di processo e la registrazione degli eventi, che si possono esportare su LAN, inclusi anche i
dati relativi al controllo delle concentrazioni dei liquidi. Infatti sui sistemi
Super SWASH, COMPACLEAN
(Fig. 3) e MODULECLEAN è disponibile il sistema ZESTRON EYE
per il controllo automatico delle concentrazioni di contaminante disperso nel liquido di lavaggio. I dati sono forniti con continuità e visualizzati sul display della lavatrice.
www.itronik.it
www.pbt.cz
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▶ SPECIALE PRODOTTI - LAVAGGIO
Impianto “ibrido”
per il lavaggio
di schede elettroniche
Realtà consolidata tra le aziende specializzate nel trattamento
delle superfici, con particolare riferimento alle macchine, impianti,
prodotti e tecnologie di lavaggio industriale, MEG presenta
un nuovo prodotto innovativo e versatile
di Giampaolo Rossi*
Fig. 1 – Il KOMBI 48-7 A ciclo ibrido
U
na novità nel settore del
lavaggio di schede elettroniche dopo il processo di saldatura e rifusione è quanto presenta
MEG in questi primi mesi del 2014:
un impianto di lavaggio Modello
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KOMBI 48/7 Automatico (Fig. 1)
dalle prestazioni particolarmente interessanti.
Quanto proposto rappresenta la soluzione di massima garanzia relativamente alla qualità e alla flessibilità di
lavaggio e di asciugatura, e corrisponde al processo denominato “ibrido”,
che accoppia soluzioni a base detergente acquosa con una soluzione a base co-solvente/solvente.
La base acquosa (il detergente)
serve a rimuovere la parte dei residui di “natura polare”, quali attivatori di flussanti, sali e contaminanti derivanti dai processi di plating dei circuiti stampati.
Il co-solvente, insieme ai solventi
fluorurati, permette la rimozione di
contaminanti “non polari” - quali cere, olii e flussanti a base colofonica - e
l’asciugatura finale (ved. Fig. 2).
Siamo quindi in presenza di un
processo che riduce al minimo l’uso di
acqua e, conseguentemente, il relativo
smaltimento.
Con il nuovo sistema proposto
dall’azienda padovana è inoltre possibile effettuare anche il lavaggio delle
schede saltando la parte acqua e andando direttamente nel co-solvente/
solvente; ciò, ovviamente, quando i
residui lo permettono.
Vantaggi del KOMBI 48/7
I vantaggi che derivano dall’utilizzo del KOMBI 48/7, oltre a un minore uso di acqua, sono i tempi ciclo decisamente inferiori a un processo solo
acquoso con asciugatura in forno. Si
passa cioè da un tempo ciclo completo di 20 minuti a un tempo solo solvente di 10 minuti. Un altro vantaggio
è che l’impianto è riscaldato con il sistema a pompa di calore che garantisce un grande risparmio in termini di
assorbimento elettrico.
Fig. 2 – Fase di asciugatura delle schede
La “Pompa di Calore”
Questa tecnologia permette un risparmio energetico notevole, infatti viene utilizzato il calore generato dal gruppo di raffreddamento della macchina per riscaldare il solvente. L’impianto non necessita quindi di resistenze elettriche di riscaldamento nella vasca ebollizione. Un secondo vantaggio di questa tecnologia
consiste poi nella sensibile diminuzione di calore disperso nell’ambiente dal gruppo frigo. Rispetto alla versione con riscaldamento tradizionale
elettrico, la macchina con pompa di
calore ha una potenza elettrica installata in media più bassa del 50%.
Le caratteristiche principali e dotazioni dell’impianto sulle dimensioni
utili delle vasche di trattamento 360 x
400 x 330 mm sono:
1 - Ciclo di trattamento
- carico;
- lavaggio in soluzione detergente
calda attivata dagli ultrasuoni;
- risciacquo in acqua di rete;
- risciacquo in acqua di rete a ricircolo su filtro a carboni;
- immersione in prodotto dewatering;
- lavaggio in co-solvente a ultrasuoni;
- lavaggio in solvente con flussaggio in immersione (HFE);
Fig. 3 – Pannello di controllo e programmazione
- risciacquo in solvente attivato
dagli ultrasuoni (HFE);
- risciacquo in vapori di solvente;
- asciugatura in serpentine;
- scarico.
2 - Gruppi ultrasuoni e regolazione
potenza da pannello operatore;
3 - Sistemi di riciclo e filtrazione su
tutte le vasche;
4 - Pompa di scarico solvente con
collettore;
5 - Gruppo frigo totale doppio compressore con temperature di raffreddamento fino a -25 °C;
6 - Riscaldamento solvente con
pompa di calore;
7 - Coperchio automatico per chiusura vasca di solvente;
8 - ROBOT TA 20/1 con dispositivo di anticollisione;
9 - Carenatura totale con porte scorrevoli e illuminazione interna;
10 - Sistema di aspirazione;
11 - Armadio di comando con schermo tattile di controllo e programmazione;
12 - Adattamento impianto con componentistica contro i fenomeni
ESD;
13 - Trasportatore di carico automatico per 5 cesti in accumulo.
* MEG s.r.l.
www.meg.it
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▶ TECNOLOGIE – COB/DCA
Flip Chip e stacked die
La tecnologia Flip Chip nasce negli anni ’60 nei laboratori IBM. Da allora è
stata utilizzata in moltissime applicazioni grazie ai vantaggi dovuti ai costi
contenuti e alle ridotte dimensioni che questa tecnologia comporta. La
tecnologia Flip Chip ancora oggi è utilizzata nell’integrazione verticale dei
dispositivi per aumentarne la densità di packaging
di Piero Bianchi
L
a tecnologia Flip Chip rientra nella categoria del COB o
DCA. Il componente è facilmente montabile su supporto organico o flessibile, incluse le applicazioni
nelle nuove tecnologie che adottano
la printed electronics. A favorirne lo
sviluppo ha contribuito la spinta del
mercato verso prodotti di consumo
caratterizzati da un’elevata potenza e
una facile trasportabilità.
Rispetto ai tradizionali package
richiede un processo di assemblaggio che può considerarsi suddiviso
in tre fasi:
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- il bumping del chip;
- il piazzamento e la saldatura;
- l’underfilling, ovvero il riempimento del gap tra chip e substrato con lo scopo di creare una protezione meccanica.
L’utilizzo dei flip chip è a tutt’oggi
una delle soluzioni che meglio si prestano quando sono richiesti dispositivi dimensioni molto contenute, ma
con un alto numero di I/O e una elevata capacità di elaborazione dati.
Uno dei principali problemi posti
da questa tecnologia riguarda la differenza tra il coefficiente termico di
espansione del componente e quello
del substrato. La piccola dimensione
dell’area di fissaggio del componente
non permette una adeguata flessibilità di tenuta rispetto agli stress termici, problema risolto dall’operazione di
underfill, che consente di distribuire
lo stress su tutta l’area del componente e non solo sui bump di connessione.
I die stacking o l’integrazione
verticale
Il chip stacking o die stacking, è il
processo utilizzato per assemblare due
o più die impilandoli uno sull’altro;
questa tecnica permette di aumentare significativamente l’area di silicio
che può essere racchiusa in un singolo package. La tecnologia die stacking
ha inoltre il pregio di aumentare le
prestazioni dei dispositivi in quanto i
più brevi percorsi di interconnessione
tra i vari circuiti aumentano la velocità di trasmissione dei segnali e diminuiscono i potenziali disturbi.
Le prime applicazioni riguardavano memoria Flash e SRAM, con
l’utilizzo di soli due chip impilati
uno sull’altro. Poi questa tecnologia
si è notevolmente sviluppata trovando impiego in numerose applicazioni
e diventando di fatto sinonimo di integrazione verticale.
All’inizio la geometria era di tipo
piramidale, impilando via via dal chip
di superficie maggiore a quello più
piccolo. L’evoluzione tecnologica ha
progressivamente consentito di trovare le soluzioni per impilare die della stessa dimensione, tra cui l’interposizione tra i vari chip di dummy layer
in silicio con la funzione di spaziatori
che impediscano cortocircuiti tra i fili
di interconnessione.
Tra i requisiti da considerare nella realizzazione di uno stacked die vi
è la stabilità termica e meccanica rispetto al substrato su cui poggia il dispositivo; allo stesso tempo il package deve essere sufficientemente sottile e le connessioni elettriche affidabili. Lo spessore finale dipende ovviamente dal numero dei die impilati;
un CSP (Chip Scale Package) composto da quattro die misura 1,2 mm
di spessore, un sei die misura 1,4 mm.
L’altezza finale raggiunta dipende ovviamente anche dallo spessore dei wafer di partenza, che usualmente si aggira dai 3 ai 6 mil. Questi spessori sono estremamente fragili e richiedono
una serie di accortezze durante i vari cicli di lavorazione, come l’applicazione al wafer di un nastro epossidico prima della singolarizzazione dei
chip, che facilita la successiva fase di
die attach. Una particolare cura deve
essere posta nel prelevare solo i chip
funzionanti (known good die) perché
l’utilizzo di un die difettoso all’interno di un die stacking comporta la perdita dell’intero componente con costi
economici significativi.
Fondamentale è l’ utilizzo di wafer di ottima qualità, perché non sempre il test eseguito a livello di wafer,
known good die, è da solo un’assicurazione di qualità.
Naturalmente anche lo spessore e
la qualità del substrato influiscono sul
risultato finale.
Fig. 1 - Sistema di piazzamento per Flip Chip
Nel rispetto dell’altezza complessiva del componente, un aumento nello
spessore del substrato implica un minor numero di die impilabili. Si suppone che se il dispositivo è complesso è verosimile che lo sia anche il substrato, richiedendo un alto numero di
layer. Da queste considerazioni emerge che uno dei limiti della tecnologia
die stacking è dato dalla complessità
del dispositivo da realizzare, dal rapporto tra il numero dei die di cui è
composto e lo spessore massimo consentito, oltre il quale cessa il vantaggio economico della tecnologia verticale e ritorna competitivo quella della
tecnologia orizzontale.
Le connessioni
nell’integrazione verticale
L’interconnessione nella tecnologia
stacked die utilizza sia la tecnica Flip
Chip che il wire bonding, con la connessa difficoltà nel gestire un elevato
numero di microscopici fili coi relativi problemi di geometria dei loop.
L’utilizzo del solo wire bonding limi-
terebbe a tre soli chip lo stacked die;
ogni die è bondato direttamente al
substrato di base che provvede all’interconnessione tra i die e con l’esterno. I die devono avere sul loro perimetro uno spazio che varia da 0,5 mm
a 1 mm per consentire la formazione
del giunto e del relativo loop. È fattibile anche la connessione diretta dieto-die, ma in questo caso il chip sottostante deve essere sufficientemente
più grande di quello che lo sovrasta da
consentire la connessione. Sugli stacked die l’altezza del loop deve essere
inferiore ai 100 μm, decisamente più
piccola di quanto richiesto nel normale utilizzo convenzionale del wire
bonding su piano orizzontale, che varia tra i 150 e i 180 μm.
Quando i circuiti che lavorano in
radiofrequenza coesistono con quelli
analogici o digitali, per ottenere i migliori risultati diventa imperativo avvalersi contemporaneamente sia della tecnologia wire bonding quanto di
quella Flip Chip . Le interconnessioni
risultano molto corte a beneficio dei
valori induttivi, capacitivi e resistivi.
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I bump dei Flip Chip hanno diverse funzioni: costituiscono la connessione elettrica tra circuito e substrato, sono dei canali per la dissipazione
termica del calore sviluppato dal chip
durante il suo funzionamento, sostengono meccanicamente il die impedendo che la sua superficie attiva entri in contatto col substrato.
Il Flip Chip può essere fornito su
wafer, waffle pack tray o gel pack.
Nel caso del wafer i bamp sono rivolti verso l’alto mentre nel gel pack o
nel waffle tray i componenti possono
trovarsi anche uniformemente allineati con i bump rivolti verso il basso.
Nel caso dei wafer il sistema di
piazzamento deve possedere con un
espulsore munito di uno o più aghi
che spingendo da sotto il film adesivo su cui giace il wafer, aiuta la testa di prelievo nella presa del chip. Un
dispositivo ribaltatore gira sotto-so-
pra il chip in modo che i bump siano
rivolti verso il basso. La testa di posa preleva il chip, che è letto dal sistema di visione che individua la posizione dei bump per allinearli coi pad
del substrato.
Al sistema di visione è richiesto di
risolvere individualmente i vari bump,
la cui dimensione può essere anche di
soli 10 mil.
Un metodo accurato di centraggio
utilizza una singola telecamera, solidale con la testa di posa, e un prisma
che permette la lettura contemporanea dei bump e dei pad; sovrapponendo le due immagini si raggiungono alte precisioni di posa.
Diversamente una telecamera fissa legge i bump mentre una seconda mobile, solidale con la testa di posa, legge la posizione dei pad. Le due
immagini vengono confrontate, eventuali discrepanze generano coman-
Fig. 2 - Esempio di componente tridimensionale con connessioni wire bonding
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di di correzione nelle direzioni X,Y e
e. La precisione richiesta varia dai 10
μm per dispositivi di uso generico ai 5
μm dei fotodiodi a 1-2 μm dei dispositivi più sofisticati.
La velocità con una telecamera è
inferiore rispetto all’utilizzo di due
telecamere, ma l’accuratezza di posa
e la ripetibilità ne sono avvantaggiate.
In ambo i casi il software di visione contiene algoritmi per verificare la
presenza di tutti i bump e le loro dimensioni.
Come sulle comuni pick & place
la testa di posa deve essere controllata in velocità per evitare lo slittamento
del Flip Chip nel momento del contatto col substrato. Anche la pressione con cui è piazzato il componente
deve essere accuratamente controllata, in quanto il chip viene trattenuto in sede dalla sola forza adesiva del
flussante precedentemente dispensato
(sui bump o sulle piazzole) o dell’adesivo conduttivo. Anche la linea di trasporto verso il forno di rifusione deve
essere esente da ogni vibrazione, per
evitare disallineamenti del chip prima della rifusione (o polimerizzazione nel caso di adesivo conduttivo). La
polimerizzazione di adesivi conduttivi
evita molte difficoltà che nascono con
l’utilizzo della lega.
Con l’operazione di underfill eseguita sui Flip Chip si distribuisce
la resina inglobante tra il lato inferiore del chip e il substrato, racchiudendo tutti i bump presenti. Il circuito passa in forno per la polimerizzazione, che crea un tutt’uno che riduce al minimo gli stress termici e meccanici. L’operazione di underfill consente anche la protezione del lato attivo del componente che non rimane esposto agli agenti ambientali. L’incapsulamento completa l’operazione di protezione. Il componente finito non è riparabile dal momento che tutto il chip è completamente
inglobato nella resina polimerizzata.
Fig. 3 - Differenza tra tecnologia Flip Chip e tecnologia wire bond
La realizzazione dei bump
Ci sono molti tecniche per realizzare i bump dei Flip Chip . Le operazioni sono eseguite a livello di wafer
prima di singolarizzarlo nei vari chip
e iniziano con la metallizzazione dei
bond pad, rimuovendo quindi lo strato di ossido passivato che li riveste a
protezione. Si procede poi serigraficamente, o con elettrodeposizione o col
metodo dell’evaporazione, al deposito
del saldante.
Col processo definito plated bumping si rimuove chimicamente l’ossido presente sui pad per poi rivestirli
con lo spessore desiderato di nichel a
sua volta rivestito con immersione in
oro chimico per la protezione contro
l’ossidazione.
La tecnica di stud bumping è un’alternativa alla precedente, molto simile al ball bonding in oro. Utilizzando
il filo d’oro si inizia con la formazione
in aria della pallina, che viene poi saldata alla piazzola, rompendo poi il filo
Fig. 4 - Schema concettuale di componente 3D a sviluppo verticale
immediatamente sopra il giunto così formato. Il Flip Chip con gli stud
bump in oro è saldato al substrato utilizzando l’ adesivo conduttivo.
I bump si possono realizzare anche stendendo adesivo conduttivo sopra le metallizzazioni dei pad, che una
volta polimerizzato si comporta esattamente come i bump formati con la
tecnica precedentemente illustrata. Il
montaggio sul substrato avviene nuovamente con l’impiego di un adesivo
conduttivo.
All’inizio della tecnologia Flip
Chip i primi substrati erano di tipo
ceramico e l’altezza del chip dal substrato, variava dai 75 μm ai 100 μm.
Il passaggio a substrati di tipo organico e l’utilizzo di bump in lega eutettica ha ridotto la distanza tra chip
e substrato agli attuali 50-60 μm.
Inizialmente l’utilizzo dei bump in
lega poneva il problema del lavaggio
in quanto distanze così limitate rendevano inefficace la rimozione dei residui e compromettendo l’operazione
di underfill. L’utilizzo di flussanti noclean a basso residuo ha notevolmente
contribuito a snellire il processo rendendolo più sicuro nei risultati.
Sono utilizzate due tecniche di apporto del flussante, una a contatto e
una a getto. Ogni bump raccoglie una
limitata quantità di flussante che rimane confinata nell’area di formazione del giunto di saldatura anche dopo l’operazione di rifusione. Il processo risulta pulito e non pregiudica
la successiva adesione della resina di
underfill.
La tecnica di dispensazione a getto, non essendo a contatto, consente
flessibilità nei tracciati, permettendo
di impostare qualsiasi tipo di matrice
di punti. Si ottengono dispensazioni
molto accurate di materiale (anche di
soli 0,01 mg). Il flussante è contenuto in siringhe di vari formati opportunamente sigillate e a pressione costante.
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▶ PROGETTAZIONE - SOFTWARE
Soluzioni per l’integrità
del segnale
I vincoli sul layout costituiscono un elemento cruciale del progetto di un
pcb. Con il progressivo aumento della complessità tecnologica presente
all’interno delle apparecchiature elettroniche moderne, le problematiche
di integrità del segnale hanno assunto un ruolo primario
di Vasily Ershov*
P
er molti progetti, l’aumento
costante della complessità dei
pcb si riflette nel fatto che per
un’elevata percentuale delle reti presenti sarà necessario imporre numerosi vincoli sul layout delle schede, al
fine di garantire il rispetto dei requisiti di signal integrity.
Il che, in sostanza, si traduce in due
sfide fondamentali da affrontare: la
creazione di un set di vincoli di layout
per il progetto, nonché la successiva
applicazione di tali vincoli nel corso
dell’effettivo processo di layout del pcb.
Questo documento intende illustrare in quale modo lo strumento
PADS di Mentor Graphics possa aiutare ad affrontare tali sfide, nel contesto di progetti caratterizzati da un numero elevato di vincoli.
Requisiti di integrità
del segnale
Il crescente utilizzo di interfacce ad
alta velocità nelle memorie (DDR2/3)
e di interfacce seriali di tipo differenziale (come PCI Express, SATA, ed
altre), con frequenze di commutazio-
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PCB
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(prima parte)
ne nell’ordine dei Gigahertz, ha enormemente aumentato la complessità delle attività legate alla definizione del layout dei pcb, ivi incluse quelle
relative al placement, alla progettazione dei piani di potenza, ed al routing.
I requisiti di signal integrity, naturalmente, rappresentano il criterio-guida dell’intero processo di progettazione del pcb. Essi includono gli
aspetti relativi alla qualità del segnale,
alle relazioni di timing tra i segnali di
clock e dei bus dati, nonché ai livelli di crosstalk da ritenere accettabili.
PADS include una serie di funzionalità, sia di simulazione pre-layout
che di analisi, che aiutano a:
- progettare lo stackup dei diversi
layer della scheda;
- prendere le necessarie decisioni riguardanti le terminazioni;
- valutare gli effetti che le topologie
di rete ed i vincoli sulla lunghezza
delle tracce hanno sulla qualità del
segnale;
- stimare gli effetti di crosstalk tra
tracce adiacenti.
Il momento migliore per iniziare
le attività di simulazione e di analisi è
prima del completamento del progetto schematico, non appena siano stati
individuati i componenti ad alta velocità da utilizzare nel progetto, nonché
siano stati acquisiti ed installati i modelli relativi ai driver ed ai receivers
dei vari segnali. Volendo, è addirittura
possibile selezionare una rete specifica
(o un gruppo di reti) ed effettuare una
simulazione pre-layout direttamente sulla base del progetto schematico.
Al termine della simulazione e
dell’analisi, si sarà in grado di:
- definire i parametri dello stackup
dei diversi layer della scheda;
- aggiornare il progetto schematico
con gli elementi di terminazione
verificati;
- definire e catturare i set di vincoli
legati all’alta velocità necessari per
guidare le successive attività di layout fisico;
- definire vincoli addizionali di spaziatura tali da garantire livelli accettabili di crosstalk.
In alternativa, come fonti per la definizione dei vincoli citati, si potrebbero utilizzare anche le linee guida
relative al layout che vengono forni-
te dai produttori dei componenti elettronici utilizzati. È tuttavia consigliabile fare attenzione a non applicare
tali parametri al proprio specifico progetto in modo cieco ed indiscriminato, poiché capita spesso che essi si rivelino troppo cautelativi oppure troppo generici, o ancora che comportino
l’utilizzo di materiali e/o di tecnologie produttive eccessivamente costosi.
Per tale motivo, un crescente numero di produttori di componenti ad
elevate prestazioni raccomanda l’utilizzo della simulazione dei segnali ad
alta velocità come strumento per la
messa a punto di dettaglio dei vincoli di layout.
I vincoli di layout in PADS
PADS supporta un modello potente, ma flessibile e facile da utilizzare, per la gestione di tutti i vincoli di layout. Questo documento tuttavia si focalizzerà in particolare su quei
vincoli derivanti dai requisiti di integrità del segnale, per i segnali ad alta velocità.
Classi di reti
Innanzitutto, è normalmente opportuno individuare all’interno del
progetto diverse classi di reti, ognuna delle quali raggruppi reti aventi requisiti simili di signal integrity, e dunque simili vincoli. I vincoli definiti per
una classe di reti verranno in tal modo automaticamente applicati a tutte
le reti facenti parte della classe stessa.
Per una classe di reti è possibile definire:
- vincoli di lunghezza minima e
massima (l’intervallo delle lunghezze consentite);
- spaziatura minima tra le reti appartenenti alla classe;
- spaziatura minima rispetto alle reti appartenenti ad altre classi, per il
controllo dei livelli di crosstalk;
- intervallo di valori consentito per
la larghezza delle tracce, al fine di
mantenere l’impedenza caratteristica; tali valori possono anche essere diversi per ogni layer;
- vincoli di layer, per identificare
gli strati utilizzabili per il routing
delle reti appartenenti alla classe,
al fine di garantire che le tracce ad
alta velocità siano adiacenti ai piani considerati più opportuni;
- vincoli sui via, numero massimo
consentito per ogni rete, padstacks
utilizzabili;
- vincoli di topologia, che consentono di specificare se le reti debbano
essere instradate utilizzando pattern di tipo daisy-chain, con vincoli sulla lunghezza degli stub.
In PADS è inoltre possibile ridefinire, per singole reti, i valori di alcuni specifici vincoli. In tal caso, i valori ridefiniti hanno ovviamente la precedenza sui corrispondenti valori definiti per l’intera classe, assicurando la
massima flessibilità possibile nella gestione delle reti.
Vincoli di topologia
L’utilizzo più comune delle topologie customizzate e dei cosiddetti pin virtuali è rappresentato dalla
topologia di tipo H-tree usata nelle
interfacce delle memorie DDR2. In
situazioni come questa, PADS consente di creare per le singole reti delle topologie custom, in cui vengono
specificati i percorsi di propagazione
dei segnali, dalle sorgenti fino ai carichi ed ai terminatori. Per le reti con
topologie custom, in aggiunta ai vincoli sopra elencati, è possibile imporre anche vincoli sulla lunghezza dei
singoli rami. Nel corso della definizione di una topologia di rete, è infine possibile utilizzare anche dei ‘pin
virtuali’, per specificare dei particolari punti di ramificazione all’interno di un percorso di propagazione
del segnale.
Vincoli di tipo matched-length
Nei bus ad alta velocità è molto
frequente la presenza di requisiti di
tipo accoppiato sui ritardi di propagazione. Ad esempio, in una interfaccia di memoria DDR3, ogni segnale
del bus dati ed il corrispondente segnale di strobe devono raggiungere il
modulo di memoria esattamente allo
stesso istante.
Dal punto di vista del layout fisico, ciò si traduce nella presenza
di vincoli accoppiati sulle lunghezze, o ML (Matched-Length), assegnati ad appositi gruppi di elemen-
Fig. 1 - Il routing di un gruppo matchedlength di coppie di pin, creato per l’address
bus di una memoria DDR3. La tolleranza
delle lunghezze è pari a 10 mil.
PCB
aprile 2014
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re anche vincoli di lunghezza minima
e massima. Tipicamente, le reti delle
coppie differenziali appartengono ad
uno stesso gruppo ML, ma in PADS
è consentito anche creare coppie differenziali da coppie di pin (rami di rete). PADS supporta coppie differenziali appartenenti allo stesso layer.
Fig. 2 - Un
esempio di rete
associata
ti accoppiati. PADS identifica due
distinti tipi di gruppi ML: i gruppi ML relativi alle reti, ed i gruppi
ML relativi ai rami delle reti (coppie di pin).
Per ogni gruppo ML è possibile
specificare sia un valore di tolleranza per la lunghezza, sia vincoli sulla lunghezza minima e/o massima. È
consentita la creazione di gruppi ML
anche utilizzando reti appartenenti a
classi diverse o, analogamente, utilizzando coppie di pin appartenenti a
reti distinte.
Coppie differenziali
È possibile definire coppie differenziali sia nel progetto schematico
che nel layout, selezionando due reti (tipicamente appartenenti alla stessa classe). Per ogni coppia differenziale, si specifica la larghezza delle tracce e la distanza tra le stesse. Si possono anche indicare valori di larghezza e
di distanza diversi per ogni layer, al fine di mantenere costante l’impedenza
differenziale lungo tutto il percorso di
propagazione del segnale differenziale. È naturalmente possibile impor-
Reti associate
Le reti associate si rivelano utili quando è necessario assegnare dei
vincoli ad un particolare percorso
complessivo di propagazione del segnale, ad esempio un percorso che
collega un driver ad un receiver attraverso una resistenza in serie (o un
altro elemento discreto). Per una rete
associata si possono creare vincoli di
lunghezza minima e massima. Le reti
associate possono anche essere incluse
in un gruppo di reti matched-length.
Da due reti associate può essere inoltre creata una coppia differenziale.
Il piazzamento
nelle reti high-speed
Nella fase di disposizione dei componenti all’interno delle reti ad alta velocità, è importante fare attenzione alle reti soggette a vincoli di lunghezza,
in particolar modo a quelle con vincoli
sulla lunghezza massima. PADS rende
tale operazione estremamente semplice, poiché fornisce un feedback in tempo reale sullo stato di ogni singola rete soggetta a vincoli di lunghezza, tramite l’apposito strumento Net Length
Monitor. Questo strumento semplifica
enormemente la ricerca del posizionamento più opportuno dei componenti, garantendo che i vincoli di lunghezza massima definiti per il progetto siano sempre rispettati.
Fig. 3 - Nel corso del piazzamento dei componenti, la colorazione degli elementi
indica lo stato di tutte le reti a cui sono associati vincoli di lunghezza. Il rosso
indica la violazione di un vincolo di lunghezza massima; il giallo evidenzia invece
le reti aventi lunghezza insufficiente, per violazione di un vincolo di lunghezza
minima oppure di tipo accoppiato (matched-length)
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(fine prima parte)
* Systems Design Division di Mentor
Graphics
Il Comitato Tecnico del Team Nazionale ESD
PPO
ESD E SVILU
ICO
TECNOLOG
COMITATO
ELETTROTECNICO
ITALIANO
UNIVERSITÀ
DI GENOVA
XVI Convegno Nazionale ESD
ESD E SVILUPPO TECNOLOGICO
Campiglione Fenile 28 Maggio 2014
08.00 - 09.00
Registrazione
09.00
Apertura lavori: Magna Electronics
MATTINO
Moderatori: G. Orlandini (Art Group) - R. Busetto (PCB Magazine)
Mi devo r
egistrare
al sito:
www.esdit
aly.com/
registraz
ione.asp
09.10 - 10.00
10.00 - 11.10
ESD Tech. Trend: G. Reina (Elbo), L. Gnisci (Elbo), R. Teppa (Magna Electronics)
Elementi Tecnici: P. Di Silvestro (Mapei), G. Reina (Elbo),
D. Carotenuto (Forbo), Dinoia (Sivit)
11.10 - 11.30
Coffee break
11.30 - 11.50
11.50 - 12.10
12.10 - 12.50
ESD Standard Trend: G. Vittori (CEI)
Ricerca: G. Coletti (Univ. Genova)
ESD Equipments: M. Mattei (i-tronik), L. Mancini (Mancini Ent.)
12.50 - 13.50
Pranzo
-PTVMQS
WMXSRE^MSREPI
TIVPI
TVSFPIQEXMGL
I)7(
[[[IWH MXEP]G
SQ
POMERIGGIO
Moderatori: G. Orlandini (Art Group) - G. Vittori (CEI)
13.50 - 14.20
14.20 - 14.40
14.40 - 15.00
15.00 - 15. 30
15.30
Proiezioni tecnologiche: D. Gozzi (PCB Magazine) - R. Busetto (PCB Magazine)
Progettazione: M. Morandi (MB) - G. Barengo (MB)
Packaging: L. Crippa (Scatolificio Crippa), G. Reina (Elbo)
Tavola rotonda
Trasferimento e visita a sito produttivo Magna Electronics
/¶HYHQWRqVSRQVRUL]]DWRGD
La partecipazione al Congresso è gratuita.
Nei limiti della capienza della sala, verranno accolte al massimo due persone per ogni azienda;
pertanto è importante registrarsi in anticipo compilando l’apposito modulo nel seguente link:
http://www.esditaly.com/registrazione.asp;
per ulteriori informazioni, inviare una mail a: [email protected]
,QFROODERUD]LRQHFRQ
▶ NANO & PRINTED ELECTRONICS – FILM SOTTILE
Nanofogli e crescita
epitassiale
Cristalli di spessore molecolare bi-dimensionale
possono attenuare i limiti imposti dalla struttura
cristallina nella crescita epitassiale del film sottile.
È questo il risultato di una recente ricerca
giapponese
a cura dell’International Center for Materials Nanoarchitectonics
L
a crescita epitassiale rappresenta ormai un’importante
tecnologia di accrescimento
cristallino del film sottile nel settore dell’elettronica, viste le proprietà
magnetiche e ottiche ottenibili con
le possibili applicazioni tecnologiche. Tale metodo è tuttavia limitato
dal fatto che vengono richieste doti
di similarietà fortemente accentuate
fra lo strato sottostante e il cristallo
in accrescimento posto al di sopra
di questo. Takayoshi Sasaki e i suoi
colleghi del MANA (Centro Inter-
nazionale per la nanoarchitettura dei
materiali) in collegamento con l’Università di Tokyo hanno dimostrato
che, usando materiali bidimensionali,
la versatilità delle tecniche di crescita epitassiale può essere accresciuta
grandemente.
Nel 1984 il prof. Koma dell’università di Tokyo ha proposto che alcuni materiali stratificati come la
mica o la grafite potessero facilmente servire da base per creare superfici di crescita prive di legami labili e
che potessero attenuare i limiti im-
Illustrazione schematica di strutture
a nanofogli di Ca2Nb3O10-, Ti0,87O20,52e MoO2∂− e relativi piani cristallini di
SrTiO3
posti dalla struttura cristallina della crescita epitassiale del film sottile. Le interazioni fra gli adatomi in
questi materiali sarebbero assai più
preminenti se paragonate agli accrescimenti su substrati monocristallini, ciò finché le interazioni di van der
Waals rimangano deboli. In ogni caso la varietà di superfici disponibili è
limitata e le manipolazioni di queste
ne risultano in ogni caso abbastanza difficili.
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Note bibliografiche
Tatsuo Shibata1, Hikaru Takano1, Yasuo Ebina1, Dae
Sung Kim1, Tadashi C. Ozawa1, Kosho Akatsuka1,
Tsuyoshi Ohnishi1, Kazunori Takada1, Toshihiro Kogure2,
and Takayoshi Sasaki*1, Versatile van der Waals epitaxy-like growth of crystal films using two-dimensional nanosheets as a seed layer: Orientation tuning of SrTiO3
films along three important crystallographic axes of
(100), (110) and (111) on glass substrate, 2013 J. Mater.
Chem. C DOI:10.1039/C3TC31787K
Appartenenze accademiche
1. International Center for Materials
Nanoarchitectonics, National Institute for Materials
Science, 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki 305-0044,
Japan
2. Department of Earth and Planetary Science,
Graduate School of Science, The University of
Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033,
Japan
International Center for Materials Nanoarchitectonics
(WPI-MANA)
National Institute for Materials Science
1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-0044 Japan
Phone: +81-29-860-4710
E-mail: [email protected]
Negli ultimi anni, a seguito di un’accentuata attenzione
per materiali bidimensionali, Takayoshi Sasaki e colleghi
hanno deciso di indagare a livello molecolare nei cristalli
bi-dimensionali sottili come possibili semi di crescita per
attenuare i requisiti imposti dai cristalli. Ciò in modo simile a quanto era stato sperimentato da Koma con l’epitassia di van der Waals. Il team ha utilizzato dei nanostrati di
Ca2Nb3O10-, di Ti0,87O20,52- o di MoO2∂- come monostrati altamente organizzati su vetro amorfo. Su queste diverse
superfici sono riusciti a ottenere accrescimenti con orientamenti diversi di SrTiO3 con un alto livello di precisione.
I ricercatori hanno suggerito che nel futuro sarebbe di
grande interesse riuscire a ottenere un controllo ancor più
sofisticato della geometria di accrescimento usando nanostrati con struttura complessa. Essi hanno affermato infatti che “tali progetti avanzati, difficilmente realizzabili
oggi con la tecnologia attualmente a disposizione, aprono una nuova strada per per l’ulteriore sviluppo dell’ingegneria dei cristalli.”
▶ OLTRE I PCB - CONCETTI DI BASE
Regolatori lineari
e alimentatori
in modalità switching
La terza e ultima parte di questo lungo articolo dedicato a chi voglia
capire come funzionano regolatori lineari e alimentatori in modalità
switching approfondisce la tecnologia che sta alla base dei convertitori
buck nelle loro diverse configurazioni
di Henry J. Zhang*
Controllo in modalità
di tensione e in modalità
di corrente
La tensione di uscita può essere regolata da un sistema a loop chiuso come quello illustrato nella Fig. 11. Ad
esempio, quando la tensione di uscita aumenta, la tensione di feedback
VFB aumenta e l’uscita dell’amplificatore di errore a feedback negativo di-
terza e ultima parte
minuisce. E diminuisce anche il duty cycle. Di conseguenza la tensione
di uscita viene recuperata per ottenere VFB = VREF. La rete di compensazione dell’amplificatore di errore può
essere di tipo I, di tipo II o di tipo III
[4]. Vi è un solo loop di controllo per
regolare l’uscita. Questo schema è definito controllo in modalità di tensione. I dispositivi LTC3775 e LTC3861
di Linear Technology sono tipici con-
Fig. 11 - Schema a blocchi di un
convertitore buck con controllo
in modalità di tensione
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troller buck in modalità di tensione.
La Fig. 12 mostra un alimentatore back sincrono con ingresso da 5 V
a 26 V e uscita di 1,2 V/15 A che usa
il controller buck in modalità di tensione LTC3775. Grazie all’innovativa architettura a modulazione PWM
e all’on-time minimo bassissimo (30
ns) dell’LTC3775, l’alimentatore funziona bene nelle applicazioni che convertono un’alimentazione automotive
o industriale ad alta tensione in una
bassa tensione di 1,2 V adatta per i
moderni microprocessori e chip a logica programmabile. [9]
Le applicazioni ad alta potenza
hanno bisogno di convertitori buck
multifase con condivisione della corrente. Con il controllo in modalità di
tensione, occorre un altro loop di condivisione della corrente per bilanciare la corrente tra canali buck paralleli. Un tipico metodo di condivisione
della corrente per il controllo in modalità di tensione è quello denominato master-slave.
Fig. 12 - L’alimentatore buck sincrono in modalità di tensione LTC3775 offre un
elevato rapporto di riduzione della tensione
L’LTC3861 è un controller in modalità di tensione PolyPhase. L’offset di rilevamento della corrente molto basso,
±1,25 mV, consente una condivisione
precisa della corrente tra fasi in parallelo per bilanciare lo stress termico. [10]
Il controllo in modalità di corrente usa due loop di feedback: un loop
di tensione esterno, simile al loop di
controllo dei convertitori con controllo in modalità di tensione, e un loop
di corrente interno che riporta il segnale di corrente nel loop di controllo.
La Fig. 13 mostra lo schema a blocchi di un convertitore buck con controllo della corrente di picco che rileva
direttamente la corrente nell’induttore di uscita. Con il controllo in modalità di corrente, la corrente nell’induttore viene determinata dalla tensione di uscita dell’amplificatore di errore. L’induttore diventa una sorgente di corrente. Pertanto la funzione di
trasferimento dall’uscita dell’op-amp,
VC, alla tensione di uscita dell’alimentatore, VO, diventa un sistema a un
polo; questo facilita molto la compensazione del loop. La compensazione del loop di controllo dipende meno dall’ESR zero del condensatore di
uscita, quindi è possibile usare tutti i
condensatori di uscita ceramici.
Il controllo in modalità di corrente offre molti altri vantaggi. Come indicato nella Fig. 13, dato che la corrente nell’induttore di picco è limitata da VC dell’op-amp cycle-by-cycle,
il sistema con controllo in modalità di corrente fornisce una limitazio-
ne della corrente più rapida e precisa in condizioni di sovraccarico. La
corrente di in-rush nell’induttore è
ben controllata anche durante l’avvio.
Quindi la corrente nell’induttore non
cambia velocemente al cambiare della tensione di ingresso, e l’alimentatore ha una buona risposta ai transienti.
Per gli alimentatori è più facile condividere la corrente se sono collegati
in parallelo, con controllo in modalità di corrente; questa è una caratteristica importante nelle applicazioni ad
alta corrente affidabili che usano convertitori buck PolyPhase. In genere
un convertitore con controllo in modalità di corrente è più affidabile di un
convertitore con controllo in modalità di tensione.
La soluzione che prevede il controllo in modalità di corrente ha bisogno di rilevare la corrente in modo
preciso. Solitamente il segnale di rilevamento è basso, nell’ordine delle decine di millivolt, ed è sensibile al rumore di commutazione. Per questo
occorre configurare il pcb in modo
adeguato e con la massima attenzione. Il loop di corrente può essere chiuso rilevando la corrente nell’induttore
mediante un apposito resistore, la caduta di tensione DCR nell’induttore
o la caduta di tensione di conduzione del MOSFET. Tra i controller in
modalità di corrente tipici figurano i
dispositivi LTC3851A e LTC3855 di
Linear Technology.
Fig. 13 - Schema a blocchi di un
convertitore buck con controllo in
modalità di corrente
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Fig. 14 - Alimentatore in modalità di corrente con on-time controllato che usa
l’LTC3833
Controllo con frequenza
e on-time costanti
Gli schemi tipici in modalità di
tensione e di corrente trattati nella sezione precedente hanno una frequenza di commutazione costante generata dai clock interni del controller che
possono essere facilmente sincronizzati, una caratteristica importante nel
caso dei controller buck PolyPhase ad
alta corrente. Ma se il transitorio in
salita di carico si verifica subito dopo lo spegnimento del gate del FET
Q1 di controllo, il convertitore deve attendere, durante tutto il periodo
di spegnimento, che il ciclo successi-
vo risponda al transitorio. Nelle applicazioni con duty cycle basso, il ritardo massimo è quasi pari a un ciclo di
commutazione.
Nelle applicazioni con duty cycle
basso, il controllo in modalità di corrente di tipo valley con on-time costante ha una latenza di risposta inferiore ai transitori in salita di carico. Nello stato stazionario, la frequenza di commutazione dei convertitori
buck con on-time costante è praticamente fissa.
In presenza di una transitorio, la
frequenza di commutazione può variare rapidamente per accelerare la risposta. Così l’alimentatore migliora
Fig. 15 - L’LTC3833 offre una risposta rapida a improvvisi transitori di carico
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la risposta al transitorio e la capacità di uscita, con conseguente riduzione dei costi.
Ma con il controllo con on-time
costante la frequenza di commutazione può variare con la linea o con il carico. L’LTC3833 è un controller buck
in modalità di corrente di tipo valley
con un’architettura con on-time controllato più sofisticata, in cui l’on-time viene controllato per mantenere la
frequenza di commutazione costante
nello stato stazionario rispetto alla linea e al carico.
Grazie a questa architettura
l’LTC3833 ha un on-time minimo
di 20 ns e consente applicazioni stepdown da 38 VIN e 0,6 VO. Il controller può essere sincronizzato con un
clock esterno nel range di frequenze
comprese tra 200 kHz e 2 MHz. La
Fig. 14 mostra un tipico alimentatore LTC3833 con ingresso compreso
tra 4,5 V e 14 V e uscita di 1,5 V/20
A. [11]
L’alimentatore della Fig. 15 è
in grado di rispondere rapidamente a transitori di carico improvvisi con slew rate elevato. Durante il
transitorio in salita di carico la frequenza di commutazione aumenta per fornire una risposta più rapida. Durante il transitorio in discesa di carico il duty-cycle arriva a zero. Quindi solo l’induttore di uscita
limita lo slew rate della corrente. A
Fig. 16 - Il tool di progettazione LTpowerCAD facilita l’ottimizzazione della
compensazione del loop e della riposta ai transienti di carico (esempio con
convertitore buck LTC3829 a un’uscita, trifase)
parte l’LTC3833, nel caso di uscite
multiple o applicazioni PolyPhase, i
controller LTC3838 e LTC3839 offrono una soluzione multifase con risposta rapida ai transienti.
Larghezza di banda
e stabilità del loop
Un SMPS ben progettato è silenzioso, sia dal punto di vista elettrico
che da quello acustico. Non lo è in un
sistema sottocompensato che tende a
essere instabile. Tra i sintomi tipici di
un alimentatore sottocompensato figurano rumore udibile dei componenti magnetici o condensatori ceramici, jitter nelle forme d’onda di commutazione, oscillazione della tensione
di uscita, ecc.
Un sistema sovracompensato può
essere molto stabile e silenzioso, ma
ha una risposta ai transienti lenta; ha
una frequenza di transizione del loop
a frequenze molto basse, solitamente
sotto i 10 kHz. I progetti con una risposta ai transienti lenta hanno bisogno di una capacità di uscita eccessiva per soddisfare i requisiti in materia di regolazione dei transienti, con
conseguente aumento dei costi com-
plessivi e delle dimensioni. Un progetto con una compensazione del loop ottimale è stabile e silenzioso, ma
non sovracompensato, e ha una risposta rapida per ridurre al minimo la capacità di uscita. Vi sono molti articoli
che spiegano come ottimizzare le reti di compensazione del loop sia negli SMPS con controllo in modalità
di corrente che in quelli con controllo
in modalità di tensione [2-4]. Ai progettisti poco esperti può risultare difficoltoso effettuare la modellazione
di piccoli segnali e la compensazione del loop. Il tool LTpowerCAD di
Linear Technology gestisce le equazioni complesse e facilita la compensazione del loop [6].
Il tool di simulazione LTspice comprende tutti i modelli prodotti da
Linear Technology e mette a disposizione altre simulazioni nel dominio
del tempo per ottimizzare il progetto. Di solito però, nella fase di prototipazione, occorre testare/verificare la
stabilità del loop e la risposta ai transienti.
In genere le prestazioni del loop di
regolazione della tensione chiuso vengono valutate sulla base di due importanti valori: la larghezza di banda e il
margine di stabilità del loop. La larghezza di banda è quantificata dalla frequenza di transizione fC, in corrispondenza della quale il guadagno
del loop T(s) è uguale a uno (0 dB).
Il margine di stabilità è normalmente quantificato dal margine di fase o
margine di guadagno.
Fig. 17 - Convertitore buck ad alta corrente trifase, VO singola che utilizza
l’LTC3829
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Fig. 18 - Esempi di (a sinistra) alimentatore LTC3778 con tensione da
12 VIN e 3,3 V/10 A discreto; (a destra) regolatore step-down μModule
LTM4620 a due uscite da 13 A o a singola uscita da 26A, da 16 VIN
Il margine di fase del loop Φm è definito come la differenza tra il ritardo di fase T(s) complessivo e –180°
alla frequenza di transizione. Il margine di guadagno è definito come la
differenza tra il guadagno T(s) e 0dB
in corrispondenza della frequenza in
cui la fase T(s) complessiva è uguale
a –180°.
Per un convertitore buck si considera sufficiente un margine di fase di
45° e un margine di guadagno di 10
dB. La Fig. 16 mostra il tipico diagramma di Bode del guadagno del loop relativo all’LTC3829, un convertitore buck trifase da 12 VIN e 1 VO/60
A in modalità di corrente. In questo
esempio la frequenza di transizione è
45 kHz e il margine di fase è di 64°.
Il margine di guadagno è quasi di
20 dB (F ig. 17).
Convertitore buck PolyPhase
per applicazioni ad alta
corrente
Mano a mano che i sistemi di elaborazione dei dati diventano più
grandi e veloci, i processori e le memorie ad essi associati hanno bisogno
di più corrente con tensioni sempre
meno elevate.
Queste correnti elevate comportano un continuo aumento della domanda di alimentatori.
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Negli ultimi anni i convertitori buck sincroni PolyPhase (multifase) sono stati ampiamente utilizzati
in soluzioni di alimentazione ad alta corrente e bassa tensione, grazie
all’elevato rendimento e a una distribuzione termica uniforme. Inoltre
più fasi interlacciate del convertitore buck consentono di ridurre nettamente la corrente di ripple sull’ingresso e sull’uscita, con conseguente
riduzione dei condensatori di ingresso e uscita, dell’ingombro e del costo
della scheda.
Nei convertitori buck PolyPhase il
rilevamento preciso e la condivisione della corrente sono aspetti molto importanti. Una buona condivisione della corrente comporta una
distribuzione termica uniforme e
un’elevata affidabilità del sistema.
Solitamente si preferiscono i buck
con controllo in modalità di corrente per la loro capacità di condivisione della corrente intrinseca nello stato stazionario e durante i transitori.
I dispositivi LTC3856 e LTC3829
di Linear Technology sono controller buck PolyPhase tipici con rivelamento preciso e condivisione della corrente. È possibile realizzare una
connessione a margherita con più
controller per sistemi a 2, 3, 4, 6 e 12
fasi con correnti di uscita da 20 A a
più di 200 A.
Altri requisiti di un controller
a prestazioni elevate
Un controller buck a prestazioni
elevate ha bisogno di altre funzionalità importanti. La funzione soft-start
serve a controllare la corrente di inrush durante l’avvio.
Il limite di sovracorrente e la funzione latch-off proteggono l’alimentatore in caso di sovraccarico o cortocircuito dell’uscita. La protezione contro la sovratensione protegge i
costosi dispositivi di carico del sistema. Per ridurre al minimo le emissioni EMI, a volte il controller deve essere sincronizzato con un segnale di clock esterno. Nelle applicazioni
a bassa tensione e alta corrente, il rilevamento della tensione differenziale remoto compensa la caduta di tensione della resistenza del pcb e regola
con precisione la tensione di uscita sul
carico remoto. Un sistema complesso,
costituito da molti rail di tensione di
uscita, ha bisogno anche delle funzioni di sequencing e tracking tra rail di
tensione diversi.
Configurazione del pcb
La selezione dei componenti e la
progettazione schematica rappresentano solo metà del processo di progettazione di un alimentatore.
È molto importante configurare in
modo adeguato il pcb di un alimentatore switching. Un buon layout ottimizza il rendimento del dispositivo, attenua lo stress termico e, cosa più importante, riduce al minimo
il rumore e le interazioni tra le tracce e i componenti. Per ottenere tutto ciò è importante che il progettista
Fig. 20 - Il convertitore buck-boost a 4 switch ad alto rendimento funziona con
tensioni di ingresso inferiori, uguali o maggiori della tensione di uscita
conosca i percorsi di conduzione della corrente e i flussi di segnale all’interno dell’alimentatore switching. Di
solito occorre un grande impegno
per acquisire l’esperienza necessaria.
Per maggiori informazioni consultare la Nota Applicativa 135 di Linear
Technology. [7]
Soluzioni diverse:
alimentatori discreti,
monolitici e integrati
Fig. 19 - Altre topologie di base di
convertitori DC/DC non isolati
A livello di integrazione i progettisti possono decidere se optare per un
soluzione con modulo di potenza discreto, monolitico o completamente integrato. La Fig. 18 mostra alcuni
esempi di soluzioni di tipo discreto e
con modulo di potenza per tipiche applicazioni point-of-load. La soluzione
di tipo discreto utilizza un circuito integrato di controllo, MOSFET esterni e componenti passivi per costruire
l’alimentatore sulla scheda di sistema.
Il motivo principale per scegliere
una soluzione discreta è il basso costo
dei componenti previsti nella distinta
base. Ciò richiede tuttavia buone capacità di progettazione e un tempo di
sviluppo relativamente lungo.
Una soluzione monolitica utilizza
un circuito integrato con MOSFET
di potenza per ridurre l’ingombro e
il numero dei componenti. Anche in
questo caso occorrono buone capacità di progettazione e tempo per lo
sviluppo. Una soluzione con modulo di potenza completamente integrato può ridurre nettamente il lavoro di progettazione, il tempo di sviluppo, l’ingombro e i rischi di progettazione, ma di solito comporta un costo maggiore per i componenti della
distinta base.
Altre topologie di SMPS
DC/DC non isolati di base
In questa nota applicativa i convertitori buck vengono presi semplicemente ad esempio per illustrare le
considerazioni progettuali riguardanti
gli SMPS. Esistono almeno altre cinque topologie di base di convertitori
non isolati (boost, buck/boost, Cuk,
SEPIC e Zeta) e almeno cinque topologie di base di convertitori isolati (flyback, forward, push-pull, halfbridge e full-bridge), che però non
sono trattate in questa sede. Ogni topologia ha proprietà uniche che la
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rendono adatta per applicazioni specifiche. La Fig. 19 mostra gli schemi semplificati di altre topologie di
SMPS non isolati.
Esistono altre topologie di SMPS
non isolati che sono costituite da
combinazioni delle topologie di base. Ad esempio, la Fig. 20 mostra un
convertitore buck-boost sincrono a 4
switch, a rendimento elevato, basato
sul controller in current mode corrente LTC3789. Questo dispositivo può
funzionare con tensioni di ingresso
inferiori, uguali o maggiori della ten-
sione di uscita. Ad esempio, l’ingresso può essere compreso tra 5 V e 36 V,
mentre l’uscita può essere una tensione regolata di 12 V. Questa topologia è una combinazione tra un convertitore buck sincrono e un convertitore boost sincrono che condividono un unico induttore. Quando VIN >
VOUT, gli interruttori A e B funzionano come convertitore buck sincrono
attivo, mentre l’interruttore C è sempre spento e l’interruttore D è sempre
acceso. Quando VIN < VOUT, gli interruttori C e D funzionano come con-
Bibliografia
[1] V. Vorperian, “Simplified Analysis of PWM Converters Using the Model of
the PWM Switch: Parts I and II”, in IEEE Transactions on Aerospace and
Electronic Systems, mar. 1990, vol. 26, n. 2.
[2] R.B. Ridley, B.H.Cho, F.C.Lee, “Analysis and Interpretation of Loop Gains of
Multi-Loop-Controlled Switching Regulators”, in IEEE Transactions on Power
Electronics, pagg. 489-498, ott. 1988.
[3] J. Seago, “Opti-Loop Architecture Reduces Output Capacitance and Improves
Transient Response”, nota applicativa 76, Linear Technology Corp., maggio
1999.
[4] H. Dean Venable, Optimum Feedback Amplifier Design for Control Systems,
Venable Technical Paper.
[5] Schede tecniche di Linear Technology su www.linear.com.
[6] Tool di progettazione LTpowerCAD™ su www.linear.com/designtools/
software.
[7] H. Zhang, “PCB Layout Considerations for Non-Isolated Switching Power
Supplies”, nota applicativa 136, Linear Technology Corp., 2012.
[8] R. Dobkin, “Low Dropout Regulator Can be Directly Paralleled to Spread the
Heat”, in LT Journal of Analog Innovation, ott. 2007.
[9] T. Phillips, “Produce High DC/DC Step-Down Ratios in Tight Spaces with
30ns Minimum On-Time Controller in 3 mm × 3 mm QFN”, in LT Journal,
dic. 2009.
[10] M. Subramanian, T. Nguyen e T. Phillips, “Sub-Milliohm DCR Current Sensing
with Accurate Multiphase Current Sharing for High Current Power Supplies”,
in LT Journal, gen. 2013.
[11] B. Abesingha, “Fast, Accurate Step-Down DC/DC Controller Converts 24V
Directly to 1.8 V at 2 MHz”, in LT Journal, ott. 2011.
[12] T. Bjorklund, “High Efficiency 4-Switch Buck-Boost Controller Provides
Accurate Output Current Limit”, Linear Technology, nota di progetto 499.
[13] J. Sun, S. Young e H. Zhang, “μModule Regulator Fits a (Nearly) Complete
Buck-Boost Solution in 15 mm × 15 mm × 2.8 mm for 4.5 V-36 Vin to 0.8
V-34 Vout”, in LT Journal, mar. 2009.
72
PCB
aprile 2014
vertitore boost sincrono attivo, mentre l’interruttore A è sempre acceso e l’interruttore B è sempre spento. Quando VIN si avvicina a VOUT, i
quattro interruttori sono tutti attivi. Di conseguenza questo convertitore può raggiungere un rendimento del 98% in una tipica applicazione
con uscita di 12 V. [12] Il controller
LT8705 amplia ulteriormente il range di tensioni di ingresso fino a 80 V.
Per semplificare il progetto e aumentare la densità di potenza, i dispositivi LTM4605, LTM4607 e LTM4609
comprendono un convertitore buck/
boost complesso in un modulo di potenza ad alta densità di facile utilizzo.
[13] Questi dispositivi possono essere collegati in parallelo per la condivisione del carico in applicazioni ad alta potenza.
Conclusioni
I regolatori lineari sono dispositivi
semplici e facili da usare. Dato che i
transistor di regolazione di serie funzionano in modalità lineare, il rendimento dell’alimentatore è solitamente basso quando la tensione di uscita è maggiore della tensione di ingresso. In genere i regolatori lineari (o LDO) hanno un basso ripple di
tensione e una risposta rapida ai transienti. D’altro canto, gli SMPS usano il transistor come un interruttore,
quindi sono più efficienti dei regolatori lineari. Ma la progettazione e l’ottimizzazione degli SPMSP sono attività più complesse e richiedono una
preparazione e un’esperienza maggiori. Ogni soluzione presenta dei vantaggi e degli svantaggi per ogni applicazione specifica.
*Henry J. Zhang è Applications
Engineering Manager presso Linear
Technology Corp.
www.linear.com
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▶ PRODUZIONE – PROBLEMATICHE ESD
Scintille pericolose
Un prodotto sensibile alle cariche elettrostatiche può evidenziare un
guasto nel momento in cui è esposto al fenomeno o subire un danno
latente che si manifesterà nel tempo. Si tratta di problemi non sempre
evidenti, ma non per questo, però, da sottovalutare
di Dario Gozzi
L’area EPA
A
fine maggio si terrà a
Campiglione Fenile (TO)
il XVI congresso nazionale ESD, evento che può ormai
dirsi storicamente radicato nella
cultura della produzione elettronica italiana.
Un evento che per l’interesse dei
contenuti e per la caratura delle
aziende che vi partecipano è riuscito
a passare indenne nei vari mutamenti di scenario che hanno visto l’avvicendarsi e la scomparsa di varie realtà e un lungo perdurare di periodi di
sofferenza del settore.
74
PCB
aprile 2014
I principali operatori, utilizzatori compresi, si confronteranno sia su
temi prettamente tecnici sia sulle recenti soluzioni realizzate alla luce dei
nuovi studi effettuati a livello internazionale a cui hanno partecipato i
membri del comitato 101 del CEI.
I sistemi ESD, posti a garanzia
della protezione dei circuiti e dei
componenti elettronici, devono essere adeguatamente dimensionati e soprattutto tenere in considerazione i
vari aspetti operativi relativi ai processi di fabbricazione e di laboratorio a cui sono applicati.
Creare un’area EPA (Electrostatic
Protected Area) non significa necessariamente allestire un intero reparto produttivo. Può semplicemente trattarsi di una singola postazione di lavoro, dedicata all’assemblaggio, così come al test o alle operazioni di R&D.
Per la sua realizzazione, l’attenzione non va posta solo su fattori di natura elettrica, ma deve necessariamente comprendere fattori di sicurezza, esigenze operative di tipo ambientale e comfort dell’operatore. I
fattori di sicurezza sono regolamentati dalla normativa nazionale emanata in materia (legge 626), le esigenze operative devono tener conto del fattore pulizia e dell’eventuale
movimentazione di personale e di sistemi di trasporto, mentre il comfort
dell’operatore prevede che vestiario e
attrezzature ESD non affatichino o
intralcino l’ordinaria operatività.
L’allestimento di un’area EPA può
sembrare un argomento critico, ma
in realtà basta seguire poche e ben
precise regole, che consentono di poter raggiungere l’obiettivo anche con
budget contenuti.
L’obiettivo principale è quello di
Il kit composto
da tappetino
da banco,
bracciale e cavetti
di collegamento
è praticamente
presente in ogni azienda
creare una zona di lavoro protetta
dalla presenza di cariche elettrostatiche, dove non si possano creare punti con tensioni superiori a 100 V rispetto al potenziale di massa. Un’area
EPA può abbracciare in toto o in parte un’intera linea di produzione così come essere limitata a una singola postazione di lavoro, l’importante
è che sia correttamente strutturata e
ben delimitata.
Gli operatori che lavorano a stretto contatto coi dispositivi elettronici (pcb o apparati) e in particolare coi componenti sensibili ai fenomeni di tipo elettrostatico sono tanto portatori quanto generatori di cariche elettrostatiche che raggiungono voltaggi potenzialmente pericolosi per i componenti.
Esistono in proposito numerose e
ben circostanziate direttive che accompagnano sia nell’allestimento fisico dell’area, sia nella stesura delle
procedure da seguire.
A livello generale per allestire
un’area EPA serve seguire poche, ma
ben precise regole.
Il banco di lavoro, di tipo ESD o
reso tale con l’adozione del tappeto e nelle relative connessioni, deve
poggiare su pavimentazione trattata o coperta con tappeto a sua volta connesso a terra. Vestiario, calzature e braccialetto devono rispondere
alle normative, così come tutto l’occorrente che fa parte della postazio-
ne (stazione di saldatura, strumentazione, attrezzatura).
L’area va tenuta sgombra da tutto
quello che non è attinente, come ad
esempio bottiglie e bicchieri di plastica, oggetti personali e tutto quanto è estraneo e in particolare non è
ESD.
volta collegato alla rete di terra. Lo
stesso operatore è connesso indirettamente quando siede su una superficie che è connessa a terra.
Naturalmente è preferibile un collegamento diretto, che risulta più affidabile perché può garantire valori costanti a parità di condizioni ambientali. Un buon collegamento a
terra è un naturale circuito di scarica per tutti i fenomeni transitori, limitando a livelli insignificanti gli effetti di tipo triboelettrico.
La resistenza dei materiali
L’elettricità statica si può semplicemente definire come un eccesso (o
una mancanza) di elettroni sulla superficie di un corpo, dovuta alla se-
La messa a terra
I sistemi di messa a terra hanno lo scopo di controllare o eliminare totalmente la presenza di cariche elettrostatiche presenti all’interno dell’area EPA. Il collegamento
verso terra deve coinvolgere tutti gli
strumenti e le attrezzature sia di tipo conduttivo che statico dissipativo
presenti, operatori inclusi. Il tempo
di scarica è legato tanto alla resistenza superficiale dei materiali quanto
al valore della resistenza verso terra e
quindi alla bontà e all’affidabilità del
sistema di connessione.
A meno di prescrizioni particolari, non è fondamentale la modalità
utilizzata per ottenere la connessione
quanto la sua bontà. La connessione
può essere di tipo diretto, tramite un
cavetto di messa a terra, o di tipo indiretto, tramite il collegamento con
una superficie a sua volta connessa a
terra. Un esempio di connessione indiretta può essere quella dell’operatore che mediante il bracciale è collegato al tavolo (o al tappetino), a sua
l’abbigliamento è uno dei punti
cardine nel programma ESD; il camice
è il capo più utilizzato
PCB
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75
parazione di due materiali precedentemente a contatto. Il valore della carica triboelettrica così generato dipende da quanto fossero intimamente a contatto e dalla velocità di separazione, dal tipo di materiale e della sua superficie, e fondamentalmente dall’umidità relativa che regna
nell’ambiente.
Generata la carica, la successiva
distribuzione dipende dalla resistenza superficiale del materiale.
In funzione della loro capacità di
condurre corrente, si individuano tre
famiglie: materiali isolanti, materiali
conduttivi e materiali dissipativi.
I materiali con resistenza superficiale inferiore alla 103 Ω sono considerati molto conduttivi e di conseguenza con un tempo di dissipazione delle cariche troppo veloce. Agli effetti del fenomeno ESD
si considerano i materiali conduttivi con resistenza superficiale che varia da 104 a 105 Ω. Sono impiegati negli imballi secondari e per allestire postazioni di lavoro, sono altamente sconsigliati se posti a diretto
contatto con pcb che hanno a bordo batterie perché potrebbero scaricarle. All’estremo opposto ci sono i
materiali isolanti, con resistenza su-
tro i fenomeni elettrostatici nell’allestimento delle aree EPA sebbene la normativa di riferimento ponga delle restrizioni nella destinazione d’uso (superfici di lavoro, scaffali e carrelli devono avere valori compresi tra 104 e un massimo di 1010).
Protezione attiva,
protezione passiva
Le buste ESD, nelle varie versioni, sono
le soluzioni di packaging più diffuse
perficiale maggiore di 1012 Ω. Sono
materiali che si caricano molto e facilmente, a volte anche con l’effetto chiazza, ovvero con l’alternanza sulla superficie di cariche di segno opposto, distribuite non omogeneamente. Nel mezzo, con valori
di resistenza superficiale che variano tra 106 e 1012 Ω, ci sono i materiali definiti statico-dissipativi.
Questi sono impiegati nell’ambito
della protezione ESD, senza particolari accorgimenti se non l’opportuna connessione verso terra. Sono
i più utilizzati nella protezione con-
Esiste un’ampia gamma di offerte in tema di ESD, che vanno dagli strumenti
di controllo all’abbigliamento e al packaging
76
PCB
aprile 2014
Le due categorie in cui suddividere i sistemi per la protezione ESD
sono la protezione attiva e quella
passiva.
In quest’ultima rientrano tutti gli
accorgimenti che si limitano a disperdere le cariche verso terra, come il vestiario, i braccialetti, tappetini, pavimentazione e imballi.
Gli uni sono complementare agli
altri. In particolare la protezione attiva inizia il proprio lavoro là dove
gli altri cominciano a mancare di efficacia, cioè in presenza dei materiali isolanti.
Un materiale isolante accumula
cariche molto facilmente, non altrettanto facilmente dissipabili coi classici sistemi passivi di messa a terra;
inoltre la distribuzione non è omogenea, raggiunge alti valori ed è trattenuta per tempi lunghi.
La presenza di materiale isolante
all’interno di un’area EPA può pregiudicarne l’intera efficacia. Non essendo totalmente eliminabili gli isolanti (i cavi ne sono un esempio emblematico) si ricorre ad altri sistemi, il controllo dell’umidità relativa e più ancora l’utilizzo dei sistemi
ionizzanti. Gli ioni sono particelle caricate elettricamente; prodotte
dallo strumento ionizzante sono disperse nell’ambiente per convezione
d’aria. Il principio è quello di rendere l’aria conduttiva, così da offrire
un percorso di dissipazione alle cariche che si accumulano sul materiale isolante.
I prodotti per la protezione passiva
sono sicuramente i più conosciuti e i
più utilizzati, anche se non sempre in
modo ottimale. Il pavimento
Come accennato la carica elettrostatica si verifica ogni volta che due
materiali entrano in contatto dinamico, fatto che avviene comunemente camminando, sviluppando anche
un potenziale di 10.000 V con l’accumulo di cariche positive da un lato e di cariche negative dall’altro. Di
conseguenza un pavimento capace di
limitare la generazione di tensione
durante il movimento delle persone
e delle attrezzature è un investimento sicuro per tutte quelle aziende che
necessitano di avere un elevato grado
di protezione ESD.
Il materiale utilizzato nella pavimentazione ESD deve avere la capacità di inibire la generazione di cariche, così come di dissipare in un
tempo di decadimento accettabile,
quelle eventualmente accumulate.
A livello di dotazione personale il
bracciale di messa a terra è di uso comune in tutte le aree EPA. Deve essere soffice, elastico a e anallergico;
nella conduttivo parte interna, a contatto con la pelle, è isolante all’esterno. Deve funzionalmente scaricare
l’accumulo di cariche incanalandole
nel percorso prestabilito verso terra,
ma evitando che durante i movimenti si possa accidentalmente scaricare su altri percorsi non consentiti. Il
cavo spiralato di connessione ha una
lunghezza di circa tre metri, si collega al bracciale con bottone automatico (caratterizzato da buona tenuta e facilità di sgancio). La resistenza
connessa al cavo ha lo scopo di proteggere l’operatore nel caso di un ritorno di corrente.
I camici sono realizzati in cotone o in un misto cotone e poliestere,
in entrambi i casi il tessuto è percorso da una rete di filo di carbonio che
lo rende conduttivo e ci deve essere
cariche elettrostatiche devono essela connessione da manica a manica.
re eseguiti all’interno di un’area EPA.
Il cotone ha naturali proprietà antiGli imballi sono di tipo flessibistatiche e tende a essere igroscopico,
le o rigido. Tra i primi la busta (mocaratteristica che aiuta a prevenire le
nostrato, multistrato, barriera, con o
cariche elettrostatiche.
senza zip) è la più utilizzata, per il
Vestendo quotidianamente l’opebasso costo e la semplicità di utilizzo.
ratore un requisito fondamentale è il
Le buste di tipo aperto sono sigilcomfort. Non meno importante è la
labili con termosaldatrice, sottovuoto
sicurezza che ha introdotto l’utilizzo
o iniettando azoto.
degli automatici per la sua chiusura,
Sotto il profilo elettrico si dividomaniche comprese. Per un maggiore
no in dissipative, conduttive e schercomfort sono disponibili anche pomate, se è richiesta anche la protelo e t-shirt, oltre che pantaloni, cazione contro l’umidità si ricorre alle
sacche e tute.
buste barriera mentre se è richiesta la
L’ utilizzo delle calzature permetprotezione meccanica sono disponite di poter usufruire della massibili le cushion bag.
ma libertà di movimento all’interGli imballi rigidi sono realizzano dell’area protetta; costituiscono
ti in cartone conduttivo o dissipatiun mezzo primario per scaricare vervo, in materiale plastico come il poso terra, mettendo in contatto diretto
la pianta del piede con il pavimento. lipropilene, PVC, PETG; al loro interno le schede sono alloggiate tra
Il plantare interno è interamente dispareti divisorie o protette da pannelli
sipativo per stabilire durante la dein schiuma conduttiva o statico disambulazione e la postura stazionaria
sipativa.
(eretta o seduta) il contatto ottimale.
Fanno parte del corredo ESD sia
le
attrezzature per l’handling all’interno
dell’azienda che
8Q·RUJDQL]]D]LRQH HIILFLHQWH PROWR IOHVVLELOH XQ SHUVRQDOH
le soluzioni di
TXDOLILFDWR H DGGHVWUDWR FRVWDQWHPHQWH UHQGRQR O·D]LHQGD
packaging per il
LQJUDGRGLUHDOL]]DUHFDPSLRQDWXUHLQRUHVRODUL
trasporto.
,VXRLSURFHVVLFHUWLILFDWLVRQRDGDWWLVLDDOODIDEEULFD]LRQHGL
Lo
scopo
SH]]LXQLFLFKHDOODSURGX]LRQHGLSLFFROHHPHGLHTXDQWLWj
fondamenta7LSRORJLDGLSURGRWWL
)LQLWXUH
le nell’utilizzo
&LUFXLWLVWDPSDWL
+DOKDOOHDGIUHH
di imballi ESD
PRQRIDFFLD
VWDJQRFKLPLFR
è quello di evi
GRSSLDIDFFLD
DUJHQWRFKLPLFR
tare che le cari PXOWLVWUDWL
1L$XFKLPLFR
che elettrosta IOHVVLELOL
1L$XHOHWWUROLWLFR
tiche, vadano a
ULJLGRIOH[
*UDILWH
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creare danni du PHWDOFRUH
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DUHO#DUHOVUOFRPZZZDUHOVUOFRP
▶ PRODUZIONE – PROBLEMI E SOLUZIONI
I principali difetti
in rifusione
Ci sono molti margini operativi per migliorare
il proprio processo SMT, alcuni dei quali
riguardano la minimizzazione dei più comuni
difetti di saldatura. Capire la natura e l’origine
dei difetti è uno dei passaggi principali che
portano a un processo qualitativamente elevato
di Davide Oltolina
L’
obiettivo del processo di
rifusione è di rifondere il
powder presente nella crema
saldante e di fare in modo che questi
uniscano terminali dei componenti
e piazzole in un giunto di saldatura
metallurgicamente forte e affidabi-
78
PCB
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le nel tempo. Il profilo può pensarsi
suddiviso in quattro zone, che dal
preriscaldo attraverso la fase di soak
approdino alla rifusione e poi al raffreddamento.
La fase di preriscaldamento previene un’eccessiva evaporazione del flus-
sante, evita che scheda e componenti
subiscano shock termici e che vengano disperse solder-ball sulla superficie del pcb. Il tempo di mantenimento della fase di soak evita che il flussante venga totalmente attivato (contenendo allo stesso tempo la formazione di ossido). In rifusione il flussante termina la sua missione e completa l’evaporazione, evitando la formazione di void.
Tutto questo in teoria, ma capita a
volte che si manifestino comuni problemi, che comunque non sempre sono imputabili al profilo termico.
Difetti che si manifestano
in saldatura
Un difetto associabile a ogni processo di saldatura è quello del giunto freddo, caratterizzato da un basso livello di bagnabilità, una cosmesi
opaca e porosa che può essere dovuto a una temperatura di rifusione insufficiente o da problemi dovuti alla difficoltà del flussante nel realizzare la saldatura. Questo potrebbe
anche essere dovuto a sporcizia presente sui terminali del componente
o sulla piazzola precedentemente alla saldatura.
Adottare una temperatura che rifonda completamente la crema saldante, prevenire le vibrazioni durante
e immediatamente dopo la rifusione,
agevolare col giusto grandiente il raffreddamento, sono altri accorgimenti
che aiutano a mantenere il giunto di
saldatura esente da difetti.
La mancata bagnabilità si ha nel
Processo di attuazione del fenomeno di tombstoning durante la fase di saldatura
caso in cui la lega rifusa non aderisce o aderisce solo in parte. Possibili
cause sono da ricercarsi nella finitura
superficiale delle piazzole, nel tempo di preriscaldo troppo lungo, che
esaurisce l’attività del flussante prima dell’inizio della rifusione o ancora una configurazione del profilo che non agevola l’attivazione del
flussante.
La presenza di solder ball si ha
quando parti di lega si separano dei
contesti principali nella formazione
dei giunti. La loro presenza, in particolare se numerosa e quanto più
si è in presenza di fine-pitch, può
dar luogo a fenomeni di corto circuito. Una possibile causa può essere la crema saldante contaminata
con dell’umidità; durante la rifusione l’umidità che non riesce a fuoriuscire per tempo, va in evaporazione
esplosiva causando una dispersione
di lega sulla superficie del pcb che si
raccoglie in forme sferiche. Lo stesso
problema può essere generato a causa di un profilo con una rampa troppo ripida, in questo caso è il flussante
ad entrare in evaporazione esplosiva,
con lo stesso effetto finale.
Una ulteriore causa può essere data dal powder (componente metallica della crema saldante) con superfici
troppo ossidate, fatto che inibirebbe
la coalescenza durante la rifusione.
Soluzioni al problema sono la formulazione del giusto profilo termico
la cura nella conservazione della crema saldante, preservandola dall’esposizione all’umidità e a una eccessiva
temperatura.
Allo stencil sporco di crema sul lato bottom è egualmente imputabile
la formazione di solder ball.
Il tombstoning si verifica per una
disparità nella deposizione del volume di pasta saldante ai capi di un
chip. Durante la rifusione il chip è attirato con maggior forza (tensione superficiale) dalla piazzola con deposito di crema preponderante, alzandosi
in posizione verticale o quasi. La stessa dinamica si verifica se uno dei due
giunti rifonde prima dell’altro.
Vibrazioni durante la rifusione o
durante la solidificazione, possono indurre uno spostamento del componente fino a generare l’effetto tombstoning, così come un’insufficiente
forza di posa durante il piazzamento
Solder beading, ovvero le formazioni
di lega sotto il corpo dei componenti
potrebbe creare una disparità di ritenzione tra le due piazzole.
Il problema si ovvia intervenendo
a valle, progettando adeguatamente le
piazzole (per geometria e dimensioni), controllando i volumi di deposizione serigrafica, tenendo sotto controllo le variabili ambientali che non
influiscano negativamente sulla forza
di adesione della crema, controllando che la P&P sia programmata correttamente ed eventualmente aumentando la forza di piazzamento, eliminando le vibrazioni del forno.
Difetti dovuti alla serigrafia
Molti dei difetti che emergono a fine linea, sono dovuti in realtà a problemi di serigrafia.
I problemi di circuiti aperti sono
dovuti a carenza nel deposito serigrafico, causato da problemi diversi, come insufficiente pressione della racla od occlusione delle aperture nello
stencil. Anche nel caso che il deposito
sia volumetricamente corretto ci potrebbe essere un problema nella planarità dei terminali o del pcb (se non
correttamente sostenuto) o nella finitura superficiale dei pad come nel caso di black hole.
I corti sono il risultato di un deposito eccessivo di crema saldante causato da un errato allineamento o da
un’eccessiva distanza tra stencil e pcb.
Il problema può essere causato anche
dallo slump del deposito, a sua volta generato da problemi tixotropici,
di umidità o di cattiva conservazione della crema. Altra causa può esse-
PCB
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79
perature o all’umidità. Altre cause occasionali sono dovute alla mancata
accuratezza di piazzamento e al movimento primo dell’ingresso in forno;
possono influire anche le eventuali vibrazioni del trasporto durante la rifusione.
La cura delle condizioni
ambientali
Componente totalmente sollevato dal contatto (tombstoning)
re dovuta a un’eccessiva pressione di
piazzamento che spinge il deposito a
debordare dalla piazzola (altra causa
di formazione di solder ball).
Altri difetti, stesse cause
Il solder beading è la formazione
di un volume di crema sotto il corpo
di componenti a basso standoff. Chip
resistivi o capacitivi possono essere
piazzati con troppa pressione causando la fuoriuscita della crema sul soldermask sotto il corpo del chip, da
80
PCB
aprile 2014
cui non ha modo di rientrare sul pad
durante la rifusione. Quando il problema si presenta ricorrentemente, la
causa potrebbe risiedere nell’eccessivo volume di crema, richiedendo una
riduzione delle aperture dello stencil.
Il disallineamento, o skewed component, è un altro difetto piuttosto
comune e si presenta con i terminali
dei componenti non più centrati sulle
piazzole (se non totalmente al di fuori). La causa principale è la mancata adesività della crema saldante, per
esposizione del prodotto ad alte tem-
Le caratteristiche della crema saldante, in particolare la caratteristica
adesività che tiene in sede i componenti fino al momento della rifusione, ma anche il comportamento in risposta al profilo termico, sono fortemente influenzate dall’umidità e dalla temperatura.
In particolare per l’umidità è richiesto di non eccedere il 65% di umidità relativa. Un eccesso di temperatura ambientale incrementa la tendenza allo slump, in particolare se trascorre troppo tempo tra serigrafia e rifusione.
Le condizioni di lavoro ambientale sono importanti perché se è troppo
caldo la definizione di stampa si impoverisce favorendo la formazione di
solder ball e solder bad. Al contrario
un ambiente troppo freddo ne riduce le proprietà tixotropiche, favorendo
l’occlusione delle aperture nello stencil e di conseguenza creando giunti aperti o con poca lega. Eccessi di
umidità di ambo i segni, creano analoghi problemi di qualità.
In ogni caso è bene non avere
quantità eccessive di crema sullo stencil, ma aggiungerne di fresca man mano che si esaurisce. L’esperienza insegna che davanti alla racla dovrebbe
scorrere un cordulo di crema di non
più di 1,5-2 cm di diametro.
La raccomandazione generale è poi
di non lasciar trascorrere troppo tempo tra la stesura serigrafica e la rifusione, così da non sacrificare nessuna delle caratteristiche di saldabilità.
▶ AZIENDE & PRODOTTI - SOFTWARE OPEN SOURCE
Più efficienza
con la release 6.0
Grazie alle sue avanzate funzionalità di
progettazione e produzione, DesignSpark PCB,
sviluppato da RS Components in collaborazione
con Number One Systems, si è diffuso a macchia
d’olio ed è stato scaricato da oltre 200.000
utenti in tutto il mondo. Al momento è lo
strumento più utilizzato per l’hardware open
source (OSHW), per la condivisione e per la
collaborazione su progetti di ogni tipo
di Mike Brojak*
A
partire dal suo lancio, effettuato da RS Components e
Allied Electronics nell’estate
del 2010, il portale online DesignSpark.com offre gratuitamente risorse online di supporto per progettisti
elettronici professionisti e per tutti
coloro che si dedicano alla progettazione di qualsiasi tipo di prodotto.
Lo strumento alla base del portale,
lanciato in contemporanea con DesignSpark, DesignSpark PCB – è un
software unico e gratuito dedicato
alla progettazione elettronica professionale e ottimizzato per la creazione
rapida di prototipi e l’interscambio
collaborativo di progetti.
re quella che sta rapidamente diventando una delle più importanti risorse
progettuali in oltre 150 paesi del mondo. RS continua a ricevere una quantità elevatissima di feedback dagli uten-
ti di DesignSpark PCB, e ciò consente all’azienda di selezionare le richieste di miglioramenti più diffuse e di inserirle in una nuova versione del software. DesignSpark PCB, attualmente alla sua quinta revisione, è ora ancora più potente e facile da usare, e
la nuova Versione 6 è ora disponibile su www.designspark.com/pcb.
La versione più recente del software amplia la precedente Versione 5.0,
disponibile da aprile 2013, in cui
erano già state aggiunte funzionalità
quali Design Rule Checking online[1]
(DRC in tempo reale) e supporto alla progettazione su bus[2]. RS ha accolto, integrandole ora nel software, due
fra le più diffuse richieste di funzionalità, migliorando così ulteriormente la
facilità d’uso dello strumento per i progettisti: alla release della versione 6.0
di DesignSpark PCB sono state infatti
aggiunte la Cross Probe[3] e la Custom
Versione 6.0
Un aspetto da sottolineare è che
RS ha continuato a impegnarsi fortemente per mantenere e migliora-
PCB
aprile 2014
81
Fig. 1 – La nuova funzionalità Cross Probe
di DesignSpark PCB vers.6.0 accelera le procedure
di progettazione
Shortcuts[4], due funzioni che rendono
questo potente strumento ancora più
facile da utilizzare e che aumentano le
possibilità degli utenti di navigare più
rapidamente nel progetto. Oltre a queste due nuove funzionalità, la Versione
6 prevede anche la risoluzione di bug
software di minore importanza; l’elenco completo dei miglioramenti è disponibile nella sezione Change Log[4]
nella home page di DesignSpark PCB.
Cross Probe
La nuova funzionalità Cross Probe
(X-probe) (Fig. 1) accelera le procedure
di progettazione, consentendo di inserire riferimenti immediati fra gli schemi e le visualizzazioni dei layout di pcb
nel software. Identificare un componente nella visualizzazione pcb è genere
abbastanza semplice, ma non è neces-
Fig. 2 - Custom Shortcuts è la nuova funzionalità che
consente una maggiore flessibilità di personalizzazione
all’interno dell’interfaccia utente
sariamente facile trovarne il corrispondente simbolo negli schemi, a meno
che l’utente non abbia una conoscenza
e una comprensione estremamente approfondite del sistema.
Cross Probe consente all’utente di selezionare semplicemente il componente
con un clic in qualsiasi visualizzazione
per accedere immediatamente al componente nella visualizzazione della controparte: questa funzionalità è possibile
in entrambe le direzioni, da pcb a schema e viceversa.
Custom Shortcuts
La nuova funzionalità Custom
Shortcuts (Fig. 2) consente una maggiore flessibilità di personalizzazione all’interno dell’interfaccia utente. Gli utenti possono ora configurare
DesignSpark PCB definendo scorciatoie e tasti di scelta rapida personalizzati, rendendo così l’uso dello strumento molto più semplice e rapido, specialmente se già abituati a specifiche operazioni che utilizzano scorciatoie durante l’uso di altri strumenti pcb di progettazione.
Note
Dedizione costante
[1] http://goo.gl/v9D5Mc
[2] http://goo.gl/efoiJ8
[3] http://goo.gl/C4BDbB
[4] http://goo.gl/prqhmS
Cronologia di DesignSpark PCB
Luglio 2010 - Prima versione di DesignSpark PCB.
Marzo 2011 - Aggiunta della visualizzazione in 3D dei layout PCB e potenziamento della funzionalità di gestione delle librerie.
Novembre 2011 - Aggiunta dell’interfaccia di simulazione, dei calcolatori di
progetto e della funzionalità per raggruppare i componenti.
Ottobre 2012 - Potenziamento della gestione delle librerie con accesso a oltre
80.000 simboli schematici della libreria di componenti ModelSource e aggiunta
di due funzionalità: Bill of Materials (BOM) Quote e PCB Quote.
Aprile 2013 - Integrazione di Design Rule Check e Buses.
Gennaio 2014 - Aggiunta delle funzionalità Cross Probe e Shortcut.
RS continua a eliminare gli ostacoli rappresentati dai costi e dalla
complessità dalla progettazione elettronica e ritiene che tutti i progettisti debbano avere la possibilità di
creare prodotti innovativi con strumenti gratuiti, ma ad alte prestazioni. L’azienda conferma il proprio impegno nel fornire il proprio supporto alla comunità sempre più crescente di utenti DesignSpark PCB e la
release della Versione 6.0 del tool riafferma questo impegno volto a fornire ai progettisti elettronici la migliore esperienza possibile di progettazione nell’ambito open source hardware (OSHW ).
*Applications Manager, RS Components
82
PCB
aprile 2014
www.osai-as.it
1.064nm
GREEN*
Perfetta per marcature
Laser in linee ad alto mix:
• PCB con effetto
CO2 e YAG
• Plastica
• Metallizzazioni
• Rimozione sigle di
componenti Integrati
Lunghezza d’onda LASER
YAG*
Specifico per marcature
Laser di:
• PCB con scopertura
del rame
• Plastica
• Metallizzazioni
• Rimozione sigle di
componenti Integrati
CO2*
Ideale e più diffusa
per marcature Laser
di PCB standard,
senza rimozione del
solder mask
* Disponibile anche nella
soluzione stand-alone
1.064nm
10.600nm

caratteristiche informazioni tecniche accessori e dotazioni

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