Невидимый конфликт сборки с использованием смешанных технологий

Инженер, стремящийся модернизировать устаревшую плату, часто видит ясный путь вперед. Модернизируя классическую конструкцию с отверстиями (THT) современными компонентами поверхностного монтажа (SMT), продукт может получить новую функциональность и уменьшиться в размере. В чистом, двумерном мире CAD-макета эта комбинация кажется простой. Но на производственной площадке, где конструкции превращаются в физические объекты, это простое обновление вызывает глубокий конфликт в производстве.

Плата, предназначенная исключительно для компонентов через отверстия, предполагает простой, почти деревенский процесс. Компоненты вставляются, и плата проходит через волну расплавленного припоя. Внедрение SMT, однако, — это не добавление, а трансформация всей производственной реальности. Это требует чистых комнат, принтеров для нанесения паяльной пасты и роботизированных машин для монтажа. Более того, это заставляет плату проходить через печь для повторного плавления, цикл нагрева всей платы, который изначальный субстрат PCB и его стойкие компоненты THT никогда не предназначались выдерживать. Это изменение вызывает напряжения, которые могут деформировать плату, привести к расслоению слоев и превращению захваченной влаги в разрушительную силу. Выбор дизайна создает каскад рисков, которые необходимо управлять с момента установки первой площадки SMT.

Основная проблема: история о двух тепловых мирах

В основе каждой сборки с смешанной технологией лежит фундаментальный конфликт тепловых философий. Каждый тип компонента задуман для радикально разной среды пайки, и принуждение их к сосуществованию на одной плате создает внутреннее напряжение, являющееся коренной причиной большинства производственных дефектов.

Компоненты поверхностного монтажа ожидают контролируемой, мягкой среды печи для повторного плавления. Вся сборка аккуратно предварительно нагревается, достигает пиковую температуру около 245°C, достаточно долго, чтобы расплавить паяльную пасту, и затем охлаждается с такой же точностью. Процесс рассматривает плату как единое тепловое тело. Это процесс, определяемый однородностью и контролем.

Компоненты через отверстия, напротив, появились из процесса локализованного, интенсивного нагрева. В волновой пайке только нижняя часть платы протягивается через поток паяльной волны, часто при гораздо более высокой температуре 260°C. Нагрев быстрый и интенсивный, ограничен стороной с паяльной пастой. Когда вы объединяете эти два мира, у вас не остается идеальных вариантов. Вам либо приходится подвергать плату нескольким стрессовым циклам нагрева, либо пытаться выполнить один процесс, который выводит один набор компонентов далеко за пределы их предназначенных возможностей.

Навигация по компромиссу: выбор последовательности сборки

Чтобы решить этот тепловой конфликт, производители разработали три основных пути. Выбор не только технический; это стратегическое решение с глубокими последствиями для стоимости, скорости производства и конечной надежности платы.

Самый старый метод — сначала размещать и повторно плавить компоненты SMT, затем вставлять компоненты THT и пропускать всю плату через машину для волновой пайки. Для массового производства эта последовательность быстра и экономична. Но она сопряжена с высоким риском. Любые компоненты SMT на нижней стороне платы должны быть закреплены, и они должны быть достаточно прочными, чтобы пережить жесткое погружение в паяльную волну при 260°C. Это жесткий тест, который многие компоненты не предназначены проходить.

Более современный и гораздо более щадящий подход также начинается со стандартного процесса повторного плавления SMT. Однако затем робот для селективной пайки обрабатывает компоненты THT. Маленький программируемый фонтан паяльной пасты распыляется через сопло, которое нацелено только на отдельные выводы THT. Это локализует интенсивное тепло, защищая остальную часть платы. Этот процесс значительно безопаснее для чувствительных компонентов, но за это приходится платить. Роботизированные системы требуют больших капиталовложений, и поскольку процесс серийный, паяя один соединитель за раз, он по сути медленнее волновой пайки.

Третий путь ищет максимальную эффективность однопроцессной повторной пайки. Используя технику, известную как Pin-in-Paste (PiP), компоненты THT с высокой температурной стойкостью вставляются в отверстия, напечатанные с помощью паяльной пасты, как и площадки SMT. Вся плата, с обоими типами компонентов, затем проходит через печь для повторного плавления один раз. Это исключает целый этап пайки, но его успех зависит от уровня контроля процесса, оставляющего мало места для ошибок.

Проблема точности Pin-in-Paste

Жизнеспособность процесса Pin-in-Paste полностью зависит от одной сложной переменной: объема паяльной пасты. Количество пасты, нанесенной в сквозное отверстие, должно рассчитываться с крайней точностью. Оно должно быть достаточно, чтобы заполнить зазор между выводом компонента и покрытым слоем корпуса отверстия, что называется «заполнением корпуса», а также образовать правильные паяные шейки с обеих сторон платы.

Это создает исключительно узкое окно процесса. Слишком мало пасты приводит к слабому соединению с недостаточным заполнением, что нарушает отраслевые стандарты, такие как IPC-A-610, которые часто требуют вертикального заполнения более 75%. Однако слишком много пасты выдавливается при вставке компонента. Эти излишки могут превратиться в паяные шары, которые мигрируют во время повторного плавления, создавая катастрофические короткие замыкания. Достижение правильного объема требует специально разработанных трафаретов и процесса нанесения с почти идеальной повторяемостью, что делает его гораздо более чувствительной операцией, чем стандартная SMT-сборка.

Когда «достаточно хорошо» не подходит: преформы против Pin-in-Paste

Для приложений, где целостность соединения THT является неприкосновенной, например, с высокотепловыми разъемами в аэрокосмической или медицинской технике, риск процесса Pin-in-Paste может быть неприемлемым. Здесь производители сталкиваются с классическим выбором между стоимостью процесса и гарантированной надежностью, сравнивая PiP с альтернативой: припойными заготовками.

Преформы — это небольшие, точно сконструированные формы сплавов припоя, размещаемые в или вокруг сквозных отверстий перед вставкой компонента. Они являются материальным решением, а не процессуальным. Они гарантируют определенный, повторяемый объем припоя для каждого соединения, что обеспечивает исключительно надежные соединения. Недостатки — стоимость и сложность. Преформы — это дополнительный компонент, который нужно закупать, управлять и размещать на плате, что увеличивает материальные расходы и добавляет еще один этап процесса. Решение становится стратегическим. Pin-in-Paste — это умное решение для продуктов с чувствительной ценой, где вариабельность процесса допустима. Паяные преформы — это страховка для высоконадежных применений, где отказ соединения недопустим.

3D-реальность производственного цеха

В абстрактном пространстве инструмента макета плата — это двумерная плоскость. Эта точка зрения является источником самой частой и дорогостоящей ошибки, которую допускают дизайнеры при создании платы с смешанной технологией. Они забывают, что оборудование для пайки — это трехмерные механизмы, которым нужно физическое пространство для работы.

Во время волновой пайки высокий компонент THT может создать «тень припоя», волну, которая физически блокирует поток расплавленного припоя к меньшим компонентам SMT, расположенным ниже по потоку. В зависимости от высоты компонента, для этого может потребоваться зона исключения диаметром 15 мм или более. Для селективной пайки роботизированная насадка должна иметь свободный радиус 3–5 мм вокруг каждого вывода, чтобы подходить, паять и убирать без столкновения с соседним элементом. Размещение высокого конденсатора или разъема внутри этой зоны делает автоматическую пайку невозможной. Эта простая ошибка, возникшая из-за мышления в двумерном пространстве, вынуждает сборку завершать вручную — медленным, дорогим и значительно менее повторяемым процессом, что снижает прибыль и создает риски качества.

Анатомия сбоя

Когда игнорируются тепловые конфликты и физические реалии сборки с использованием смешанных технологий, возникает уникальный класс дефектов. Это не типичные проблемы любого процесса сборки; это прямые, предсказуемые последствия принуждения двух несовместимых технологий вместе.

Тень припоя, создаваемая высоким компонентом THT в процессе волновой пайки, полностью оставляет площадки SMT ниже по потоку без припоя, что приводит к открытому цепи. В другом месте на плате тепловой удар той же волны при 260°C может быть катастрофическим для компонентов SMT на нижней стороне. Он вызывает микроскопические трещины в керамических конденсаторах и вызывает скрытые повреждения чувствительных интегральных схем, что приводит к загадочным отказам в полевых условиях через месяцы после отгрузки продукта.

Даже оборудование, предназначенное для защиты платы, может стать источником отказов. Композитный материал, используемый для паллет для волновой пайки, является отличным теплоизоляционным материалом. Хотя он эффективно защищает компоненты SMT, он также блокирует инфракрасные предварительные нагреватели. Если инженер по процессам не разработает индивидуальный тепловой профиль с учетом этого, плата прибудет к волне пайки без достаточной предварительной подготовки. В результате возникает тепловой удар, который приводит к плохому течению припоя и той же дефектной ситуации, от которой процесс пытался избавиться: недостаточное заполнение отверстий в компонентах THT. Со временем накопленный стресс от этих многочисленных жестких циклов нагрева может привести к деформации всей платы, нарушая деликатные соединения крупных компонентов, таких как BGA, и вызывая прерывистые отказы, которые практически невозможно диагностировать.

Проектирование для производства: изменение перспективы

Самые эффективные решения этих проблем не заключаются в более современном оборудовании или сложной инспекции. Они находятся на начальной стадии проектирования, при этом принимается мышление, которое предвидит производственный процесс с самого начала.

Защита уязвимых

Основная стратегия — защитить чувствительные и дорогие компоненты SMT от неизбежной жесткости процесса пайки THT. Это начинается с макета. Самая надежная практика — размещать все ценные компоненты — процессоры, BGA и тонкопрофильные IC — на верхней стороне платы. При этом компоненты THT также вставляются сверху, и вся агрессивная пайка, будь то волна или селективная, ограничивается нижней стороной, подальше от всего уязвимого.

Помимо размещения, дизайнер обладает возможностью определить процесс. Запрос на селективную пайку в производственных заметках — самый надежный способ защитить сборку. Если высокая объемность или ценовые требования делают волновую пайку необходимой, решение — сотрудничество с производителем по созданию индивидуального волнового паллета. Этот приспособление тщательно спроектировано с карманами и щитами, которые действуют как тепловой барьер, физически закрывая компоненты SMT на нижней стороне, когда они проходят над расплавленной волной. Это решение основано на опыте, учитывает физическую реальность производственного цеха и проектирует для нее, а не вопреки ей.