Verwerkingsoplossingen voor high-density PCB's

Ontwerpers moeten rekening houden met verwerkingstemperaturen, produceerbaarheid en soldeerverbindingsintegriteit van elk onderdeel, evenals met hogere I/O-connectoren. In dit artikel wordt gekeken naar manieren om een ​​kleinere voetafdruk van componenten mogelijk te maken voor PCB's met een hoge dichtheid.

Omdat elektronica steeds kleiner en sneller wordt, moeten de ondersteunende componenten zich eerst ontwikkelen om kleinere footprints mogelijk te maken. Door de dichtheid te vergroten en de afmetingen te verkleinen, krijgen fabrikanten minder ruimte voor fouten en moeten er betere verwerkingsmethoden worden ontwikkeld.

Het verwerken van connectoren met een hogere dichtheid op een printplaatconstructie zorgt voor complicaties die moeten worden aangepakt. Ontwerpers moeten rekening houden met verwerkingstemperaturen, produceerbaarheid en integriteit van de soldeerverbindingen van elk onderdeel. De verhoogde dichtheid is te wijten aan de vraag naar een hogere I/O-connector in dezelfde ruimte die ooit werd ingenomen door een veel lagere I/O-connector.

De traditionele doorlopende of op het oppervlak gemonteerde connectoren hebben een limiet bereikt voor het aantal signalen (pinnen per vierkante inch) dat effectief in deze toepassingen kan worden gebruikt. Dit is waar connectorfabrikanten hebben overwogen om BGA-, soldeerkrimp- en soldeerladingsontwerpen te gebruiken om de voetafdruk van de componenten te verkleinen.

Soldeerbaarheid

Voor een dubbele rij connector zijn soldeerbaarheidsproblemen doorgaans eenvoudig op te lossen. Om nog maar te zwijgen van het feit dat als er een probleem is, dit kan worden verholpen met een herbewerking door een eenvoudige soldeerbout te gebruiken om een ​​soldeerverbinding te corrigeren. Bij connectoren met meerdere rijen wordt dit proces echter ingewikkelder en wordt de juiste verwerking van de connector de eerste keer steeds belangrijker.

Enkele veelvoorkomende problemen die een slechte soldeerverbinding kunnen veroorzaken zijn:

• Soldeerpastavolume
• Stencilformaat
• Onjuist temperatuurprofiel soldeeroven
• PCB vlakheid

Met de hierboven genoemde problemen is er geen one-size-fits-all oplossing, omdat elke productie-opstelling uniek is. Enkele van de afwijkingen waarmee rekening moet worden gehouden, zijn de gebruikte apparatuur, soldeerpasta (merk en chemische samenstelling) en de toepassing (bordontwerp, componentdichtheid, enz.).

Connectoroplossingen voor I/O-behoeften met hoge dichtheid

Een van de oplossingen die connectorfabrikanten hebben gebruikt voor toepassingen met hoge dichtheid, is een BGA-configuratie. BGA-toepassingen gebruiken een bolvormige soldeerbal die aan de componentleiding is bevestigd om meer soldeer te leveren zonder een zware pasta te gebruiken.

Soldeerladingen, zoals te vinden op Samtec's SEARAY™ High-Density Open-Pin-Field Arrays, zijn een vergelijkbare oplossing als een BGA, maar zorgen voor een betere randverbinding van de connector met de PCB-pad.

Figuur 1. Soldeerballen op BGA versus soldeerladingen op Samtec's SEAF8 / SEAM8

Een ander uniek verschil van de soldeerlading op de SEARAY™ 0,8 mm (SEAF8 / SEAM8-serie) is de afwisselende steek van 0,80 mm en 1,20 mm. Dit ontwerp kan de bordontwerper extra traceringsroutes tussen rijen veroorloven.

Figuur 2. Afwisselende toonhoogte van de SEAF8 / SEAM8

Sleutels voor het verkrijgen van betere soldeerverbindingen tijdens de verwerking

In de regel is het het beste om de verwerkingsrichtlijnen van de fabrikant te volgen voor het grootste succes bij het solderen van een onderdeel op een PCB. Sommige fabrikanten bieden een PCB-voetafdruk, stencillay-out en -dikte, soldeerzeefdrukproces, plaatsing van componenten, juiste ovenprofilering en zelfs overwegingen voor herbewerking.

Voetafdruk en sjabloon

Connectorfabrikanten bieden de PCB-ontwerper vaak de mogelijkheid om de PCB-voetafdruk en de stencillay-out en -dikte te downloaden. Samtec biedt meer dan 200.000 symbolen en voetafdrukken om te downloaden in populaire EDA-tools zoals Altium, Circuit Studio, Eagle, Fusion 360 en meer.

Figuur 3. SEAF8 PCB-voetafdruk

Door gebruik te maken van de meegeleverde footprint en stencillay-out, heeft de PCB-ontwerper een grotere kans om de juiste soldeerverbindingen te bereiken.

Soldeerzeefdrukproces

De dekking van het soldeerkussen is van cruciaal belang voor een goede soldeerverbinding en het kussen moet volledig bedekt zijn. Om deze reden is de opening in het sjabloon opzettelijk groter dan het pad op de PCB. Dit is om ervoor te zorgen dat de soldeerlading op de SEAF8 (of connector) in contact komt met de soldeerpasta zoals weergegeven in figuur 4.

Figuur 4. Plaats van soldeerlading ten opzichte van de soldeerafdruk met goed contact tussen pasta en soldeerlading.

Als de soldeerpasta de soldeerlading niet goed bedekt, wordt geen goede bevochtiging bereikt. Geautomatiseerde inspectie wordt gebruikt om een ​​goede soldeerdekking op de PCB te garanderen. Het wordt aanbevolen om alle soldeerkussens die niet volledig bedekt zijn, te weigeren, te reinigen en opnieuw te printen.

Het onderdeel plaatsen

Geautomatiseerde pick-and-place-apparatuur zorgt voor de juiste plaatsing van de componenten. Voor een goede soldeerbevochtiging is het belangrijk dat de afmeting van de Z-as de soldeerladingen volledig op het oppervlak van de PCB plaatst.

Terwijl de soldeerladingen in de oven terugvloeien, zal het gewicht van de connector ervoor zorgen dat de connector na verwerking op het bord of er dichtbij komt. Dit fenomeen helpt eventuele coplanariteit in de connector te verminderen, zoals weergegeven in afbeelding 5 en 6 hieronder.

Figuur 5. SEAF8-isolatiebehuizing volledig geplaatst voorafgaand aan verwerking.

Figuur 6. SEAF8-isolatorbehuizing volledig geplaatst na reflow.

Goede ovenprofilering

Op dit moment moeten de meeste componenten voor opbouwmontage in staat zijn om loodvrije soldeerreflow-profielen aan te kunnen, zoals beschreven in IPC/JEDEC J-STD-020. Deze specificatie vereist dat de componenten bestand moeten zijn tegen een piektemperatuur van 260°C en 30 seconden boven 255°C.

Figuur 7. Samtec aanbevolen temperatuurprofielbereiken (SMT)

Een omgeving met een laag zuurstofgehalte, meestal bereikt door infusie van stikstofgas, in het reflow-proces zal de bevochtigbaarheid van de soldeeroppervlakken helpen vergroten. Voor een connector met hoge dichtheid vergelijkbaar met de SEAF8 / SEAM8, wordt aanbevolen dat de soldeerverwerking alleen wordt voltooid in een stikstofrijke omgeving.

Het correct profileren van de volledig bevolkte PCB-assemblage is van vitaal belang. Het reflow-proces dat de soldeerverbindingen vormt, wordt vaak over het hoofd gezien, maar is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de soldeerverbindingen goed worden gevormd.

Om ervoor te zorgen dat de soldeerladingen de gewenste temperatuur bereiken, wordt aanbevolen om een ​​thermokoppel door de achterkant van het bord in het midden van de connector te plaatsen en op de buitenrand te plaatsen. Dit zorgt ervoor dat de reflow-profielparameter van de fabrikant van de soldeerpasta wordt bereikt.

Figuur 8. Plaatsing thermokoppel voor ovenprofiel.

Toenemend belang van correcte verwerking

Hoewel geen enkel proces zonder gebreken kan zijn, elimineert het gebruik van een juiste verwerkingsinstelling de noodzaak voor herbewerking, afval en lagere winsten. Dit belang zal blijven toenemen naarmate elektronica kleiner wordt en hun componenten dichter worden. Dit is de reden waarom Samtec footprints en stencillay-outs levert voor al zijn connectorseries en informatie geeft over hoe de complexere productseries op de juiste manier kunnen worden verwerkt.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.