Konflik Tak Terlihat dari Perakitan Teknologi Campuran

Seorang insinyur yang ingin memodernisasi papan sirkuit warisan sering melihat jalur yang jelas ke depan. Dengan melakukan retrofit pada desain through-hole (THT) klasik dengan komponen surface-mount (SMT) modern, sebuah produk dapat memperoleh fungsi baru dan mengecil dalam ukuran. Dalam dunia bersih dua dimensi dari tata letak CAD, kombinasi ini tampak sederhana. Tetapi di lantai pabrik, di mana desain menjadi objek fisik, peningkatan sederhana ini memulai konflik manufaktur yang mendalam.

Sebuah papan yang dirancang secara eksklusif untuk komponen through-hole mengantisipasi proses yang sederhana, hampir rustic. Komponen dimasukkan, dan papan dikirim melalui gelombang solder cairan. Namun, pengenalan SMT bukanlah penambahan tetapi transformasi seluruh realitas manufaktur. Ini menuntut ruang bersih, printer pasta solder, dan mesin robotik pick-and-place. Lebih kritis lagi, ini memaksa papan melalui oven reflow, siklus pemanasan seluruh papan yang tidak pernah dimaksudkan untuk menahan substrate PCB asli dan komponen THT yang teguh. Perubahan tunggal ini memperkenalkan stres yang dapat melengkungkan papan, menyebabkan lapisannya delaminasi, dan mengubah kelembapan terperangkap menjadi kekuatan yang merusak. Pilihan desain ini menciptakan rangkaian risiko yang harus dikelola sejak pad SMT pertama ditempatkan.

Tantangan Inti: Kisah Dua Dunia Termal

Di inti setiap perakitan teknologi campuran terletak benturan mendasar dari filosofi termal. Setiap jenis komponen dirancang untuk lingkungan penyolderan yang sangat berbeda, dan memaksa mereka untuk hidup berdampingan di satu papan menciptakan ketegangan bawaan yang menjadi akar dari sebagian besar cacat manufaktur.

Komponen surface-mount mengharapkan lingkungan yang terkendali dan lembut dari oven reflow. Seluruh perakitan dipanaskan terlebih dahulu secara hati-hati, mencapai suhu puncak sekitar 245°C cukup lama untuk melelehkan pasta solder, dan kemudian didinginkan dengan presisi yang sama. Proses ini memperlakukan papan sebagai massa termal tunggal yang terpadu. Ini adalah proses yang didefinisikan oleh keseragaman dan kontrol.

Sebaliknya, komponen through-hole lahir dari proses pemanasan lokal yang agresif. Dalam wave soldering, hanya bagian bawah papan yang digerakkan melintasi gelombang solder yang mengalir, sering kali pada suhu yang jauh lebih panas yaitu 260°C. Pemanasan ini cepat dan intens, terbatas pada sisi solder. Ketika Anda memaksa dua dunia ini bersatu, Anda tidak memiliki pilihan ideal. Anda harus membiarkan papan mengalami beberapa siklus pemanasan yang stres, atau mencoba proses tunggal yang mendorong satu set komponen jauh di luar batas yang dimaksudkan.

Menavigasi Kompromi: Memilih Urutan Perakitan

Untuk menyelesaikan konflik termal ini, produsen telah mengembangkan tiga jalur utama. Pilihan ini tidak hanya bersifat teknis; ini adalah keputusan strategis dengan konsekuensi mendalam terhadap biaya, kecepatan produksi, dan keandalan akhir dari papan.

Metode tertua melibatkan penempatan dan reflow komponen SMT terlebih dahulu, kemudian memasukkan bagian THT dan menjalankan seluruh papan melalui mesin wave solder. Untuk produksi volume tinggi, urutan ini cepat dan ekonomis. Tetapi datang dengan harga risiko yang tinggi. Setiap komponen SMT di bagian bawah papan harus direkatkan, dan harus cukup kuat untuk bertahan dari pencelupan keras dalam gelombang solder 260°C. Ini adalah ujian brutal yang tidak dirancang untuk dilalui banyak komponen.

Pendekatan yang lebih modern dan jauh lebih lembut juga dimulai dengan proses reflow SMT standar. Setelah itu, robot solder selektif menangani komponen THT. Sebuah fountain solder kecil yang dapat diprogram disemprotkan oleh nosel yang menargetkan hanya pin THT individual. Ini menjaga panas yang intensif tetap lokal, melindungi sisa papan. Proses ini jauh lebih aman untuk komponen sensitif, tetapi keamanan itu datang dengan biaya. Sistem robotik adalah pengeluaran modal utama, dan karena proses ini berseri, menyolder satu sambungan sekaligus, secara inheren lebih lambat daripada wave solder.

Jalur ketiga mencari efisiensi tertinggi dari reflow proses tunggal. Menggunakan teknik yang dikenal sebagai Pin-in-Paste (PiP), komponen THT yang tahan suhu tinggi dimasukkan ke dalam lubang yang telah dicetak dengan pasta solder, sama seperti pad SMT. Seluruh papan, dengan kedua jenis komponen di tempatnya, kemudian melewati oven reflow sekali. Ini menghilangkan satu langkah penyolderan, tetapi keberhasilannya bergantung pada tingkat kontrol proses yang meninggalkan sedikit ruang untuk kesalahan.

Masalah Presisi dari Pin-in-Paste

Kelayakan proses Pin-in-Paste sepenuhnya bergantung pada satu variabel yang sulit: volume pasta solder. Jumlah pasta yang dicetak ke dalam lubang melalui harus dihitung dengan sangat presisi. Ini harus cukup untuk mengisi celah antara kaki komponen dan tabung berlapis dari lubang tersebut, sebuah persyaratan yang dikenal sebagai “pengisian barrel,” sekaligus membentuk fillet solder yang tepat di kedua sisi papan.

Ini menciptakan jendela proses yang sangat sempit. Terlalu sedikit pasta menghasilkan sambungan yang lemah dengan pengisian yang tidak cukup, sebuah cacat yang melanggar standar industri seperti IPC-A-610, yang sering membutuhkan pengisian vertikal lebih dari 75%. Namun, terlalu banyak pasta akan diperas keluar saat komponen dimasukkan. Endapan berlebih ini bisa menjadi bola solder yang bermigrasi selama reflow, menciptakan hubungan pendek yang merusak. Mencapai volume yang benar membutuhkan stensil yang dirancang khusus dan proses pencetakan dengan pengulangan yang hampir sempurna, menjadikannya operasi yang jauh lebih sensitif daripada perakitan SMT standar.

Ketika “Cukup Baik” Tidak Cukup: Preforms vs. Pin-in-Paste

Untuk aplikasi di mana integritas sambungan THT tidak dapat dinegosiasikan, seperti dengan konektor massa termal tinggi dalam penerbangan atau perangkat medis, risiko proses Pin-in-Paste bisa tidak dapat diterima. Di sini, produsen menghadapi pertukaran klasik antara biaya proses dan keandalan yang dijamin, membandingkan PiP dengan alternatif: preform solder.

Preforms adalah bentuk kecil, dirancang secara tepat dari paduan solder yang ditempatkan di dalam atau sekitar lubang melalui sebelum pemasangan komponen. Mereka adalah solusi material, bukan proses. Mereka menjamin volume solder tertentu yang dapat diulang untuk setiap sambungan, menghasilkan koneksi yang sangat kokoh. Perhitungannya adalah biaya dan kompleksitas. Preforms adalah komponen tambahan yang harus dicari, dikelola, dan ditempatkan di papan, menambah biaya material dan langkah proses lainnya. Keputusan menjadi strategis. Pin-in-Paste adalah solusi cerdas untuk produk yang sensitif terhadap biaya di mana variabilitas prosesnya merupakan risiko yang dapat diterima. Preforms solder adalah polis asuransi untuk aplikasi dengan keandalan tinggi di mana kegagalan sambungan bukanlah pilihan.

Realitas 3D dari Lantai Pabrik

Dalam ruang abstrak dari alat tata letak, papan sirkuit adalah bidang dua dimensi. Perspektif ini adalah sumber dari kesalahan paling umum dan mahal yang dibuat desainer saat membuat papan teknologi campuran. Mereka lupa bahwa peralatan penyolderan adalah mesin tiga dimensi yang membutuhkan ruang fisik untuk beroperasi.

Selama penyolderan gelombang, komponen THT yang tinggi dapat memproyeksikan “bayangan solder,” sebuah jejak yang secara fisik menghalangi aliran solder cair untuk mencapai komponen SMT yang lebih kecil di hilir. Tergantung pada tinggi komponen, ini dapat memerlukan zona larangan 15mm atau lebih. Untuk penyolderan selektif, nozzle robot perlu radius bersih 3 hingga 5mm di sekitar setiap pin untuk mendekati, menyolder, dan menarik kembali tanpa menabrak bagian yang berdekatan. Menempatkan kapasitor atau konektor yang tinggi di dalam zona ini membuat penyolderan otomatis menjadi tidak mungkin. Kelalaian sederhana ini, yang berasal dari pola pikir 2D, memaksa perakitan diselesaikan secara manual—proses yang lambat, mahal, dan jauh kurang dapat diulang yang mengikis keuntungan dan memperkenalkan risiko kualitas.

Anatomi dari Sebuah Kegagalan

Ketika konflik termal dan realitas fisik dari perakitan teknologi campuran diabaikan selama desain, muncul kelas cacat yang unik. Ini bukan masalah tipikal dari proses perakitan apa pun; mereka adalah konsekuensi langsung dan dapat diprediksi dari memaksa dua teknologi yang tidak kompatibel untuk digabungkan.

Bayangan solder yang dibuat oleh komponen THT yang tinggi dalam proses gelombang meninggalkan pad SMT di hilir yang sama sekali tidak tersentuh solder, menghasilkan rangkaian terbuka. Di tempat lain di papan, guncangan termal dari gelombang 260°C yang sama bisa menjadi bencana bagi bagian SMT di sisi bawah. Ini diketahui menyebabkan retak mikroskopis pada kapasitor keramik dan menyebabkan kerusakan laten pada sirkuit terintegrasi yang sensitif, yang mengarah ke kegagalan lapangan yang misterius berbulan-bulan setelah produk dikirim.

Bahkan peralatan yang dimaksudkan untuk melindungi papan bisa menjadi sumber kegagalan. Bahan komposit yang digunakan untuk pallet solder gelombang adalah isolator termal yang sangat baik. Meskipun secara efektif melindungi komponen SMT, bahan ini juga memblokir pemanas inframerah. Jika seorang insinyur proses gagal mengembangkan profil termal khusus yang memperhitungkan hal ini, papan tiba di gelombang solder tanpa dipanaskan terlebih dahulu secara cukup. Guncangan termal yang dihasilkan menyebabkan aliran solder yang buruk dan cacat yang coba dihindari proses: pengisian lubang yang tidak cukup pada komponen THT. Seiring waktu, stres yang terkumpul dari siklus pemanasan yang keras ini dapat menyebabkan seluruh papan melengkung, memutuskan sambungan halus dari komponen besar seperti BGA dan menciptakan kegagalan intermiten yang hampir tidak dapat didiagnosis.

Merancang untuk Manufaktur: Perubahan Perspektif

Solusi paling efektif untuk tantangan ini tidak ditemukan dalam mesin yang lebih canggih atau inspeksi yang kompleks. Mereka ditemukan dalam fase desain awal, dengan mengadopsi pola pikir yang mengantisipasi proses manufaktur sejak awal.

Melindungi yang Rentan

Strategi inti adalah melindungi komponen SMT yang sensitif dan mahal dari kekerasan proses penyolderan THT yang tak terhindarkan. Ini dimulai dari tata letak. Praktik paling andal adalah menempatkan semua bagian bernilai tinggi—prosesor, BGA, dan IC dengan pitch halus—di sisi atas papan. Dengan komponen THT juga dimasukkan dari atas, semua aksi penyolderan yang agresif, baik gelombang maupun selektif, dibatasi di sisi bawah, jauh dari apa pun yang rentan.

Selain penempatan, perancang memiliki kekuasaan untuk menentukan proses. Meminta penyolderan selektif dalam catatan manufaktur adalah cara paling pasti untuk melindungi perakitan. Jika tekanan volume tinggi atau biaya membuat penyolderan gelombang menjadi keharusan, solusinya adalah bekerja sama dengan produsen untuk membuat pallet gelombang khusus. Perangkat ini dirancang secara teliti dengan kantong dan pelindung yang bertindak sebagai penghalang termal, secara fisik menutupi komponen SMT di sisi bawah saat mereka melewati gelombang cair. Ini adalah solusi yang lahir dari pengalaman, mengakui realitas fisik lantai pabrik dan merancang untuk itu, bukan melawannya.