New Business Media Srl - Via Eritrea, 21 - 20157 Milano - Rivista mensile una copia € 5,00 SPECIALE: Lavaggio PCB Magazine n.3 - APRILE 2014 LEGGI PCB SFOGLIABILE E SEGUICI SU TWITTER n.3 LA PRIMA RIVISTA ITALIANA SUI CIRCUITI STAMPATI APRILE 2014 Garantiamo la consegna in 24 ore. SÌ E’ FACILE TROVARE QUELLO CERCO? Sono NO Non rischio. SEMPRE PUNTUALI NELLE CONSEGNE? NO SÌ SÌ HANNO UN EFFICIENTE Aaargh! Garantiamo la disponibilità immediata per oltre 500.000 prodotti da più di 2.500 brand di cui ti Ƃdi. Il nostro sito web rende la ricerca dei prodotti facile e veloce. NO SERVIZIO CLIENTI? Hanno una VASTA GAMMA di prodotti dai maggiori NO BRAND LEADER? Oh no ... così non va. NO AFFIDAMENTO SÌ MI OFFRONO Non proseguire. Su chi posso fare Ti basta una chiamata per ricevere una risposta veloce, puntuale e professionale. VALORE AGGIUNTO? 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Grazie all’esperienza maturata, Tecnolab propone una nuova linea di banchi da lavoro dal design innovativo. Ogni singolo elemento è stato studiato per garantire al tavolo la tenuta meccanica indispensabile a sostenere carichi adeguati. +PQUVTKVCXQNKRQUUQPQGUUGTGOQFKƂECVKPGNVGORQ grazie ai vari optionals che vanno dalla mensola UVCPFCTF CNNC OGPUQNC KPENKPCVC FCNNoGNGVVTKƂEC\KQPG HTQPVCNGCNNCDCTTCGNGVVTKƂECVCGEE La scelta di utilizzare esclusivamente parti in lamiera piegata ci consente di offrire un prodotto completamente RGTUQPCNK\\CDKNGPGNNGFKOGPUKQPKPGNNCEQPƂIWTC\KQPG e colorazione. La veletta laterale della gamba può anche essere personalizzata con il proprio logo. Tecnolab S.r.l Via Legnano, 13 - 20821 Meda (MB) - T. +39 0362 347416 - e-mail: info@tecnolab-srl.it www.tecnolab-srl.it EDITORIALE ◀ riccardo.busetto@newbusinessmedia.it 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 Via r. Bitti, 6 20125 Milano www.cabiotec.it 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 redazione.pcb@newbusinessmedia.it 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: commerciale@newbusinessmedia.it 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 STAMPA: Faenza Industrie Grafiche S.r.l. - Faenza (RA) SERVIZIO ABBONAMENTI: Tel. +39 02 3909.0440 abbonamenti@newbusinessmedia.it Prezzo di una copia 5,00 euro (arretrati 8,00 euro) Conto corrente postale n. 1017908581 Bonifico bancario su Iban: it-41-z-07601-01600-001017908581 intestato a Tecniche Nuove Spa L’abbonamento avrà inizio dal primo numero raggiungibile SERVIZIO CLIENTI PERIODICI: Tel. +39 02 3909.0440 servizioclienti.periodici@newbusinessmedia.it 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 il caso che si tratti di esemplari unici. La Casa Editrice non si assume responsabilità per i casi di eventuali errori contenuti negli articoli pubblicati o di errori in cui fosse incorsa nella loro riproduzione sulla rivista. Ai sensi del D.Lgs 196/03 garantiamo che i dati forniti saranno da noi custoditi e trattati con assoluta riservatezza 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: info@idtechex.com 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: info@idtechex.com 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 tim.wang@reedexpo.com.cn 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/ ,ONLW:HOOHUSHU 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. 0DVVLPDTXDOLW½ VRORFRQTXHOOH RUJLQDOL Solo i migliori materiali: 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. )LORVDOGDQWH:HOOHU:6:3XQWH+LJK6SHHG:HOOHU 0DJJLRUHSURGXWWLYLW½HULGX]LRQHFRVWL Queste due nuove famiglie di prodotto sono state sviluppate non solo per aumentare la qualità delle saldature manuali e robotiche ma anche per diminuire i costi operativi ed aumentare la produttività. Usando l‘abbinamento LEGA WSW e PUNTE HS, si ottimizzano le prestazioni, si risparmia tempo nelle saldature, migliorando il ritorno dell‘investimento ad ogni punto di saldatura. Cerca sempre il logo Genuine Weller! Per ulteriori informazioni: www.weller.de/tips Apex Tool S.r.l. Viale Europa 80 20090 Cusago (MI) Tel: +39 (02)9033101 Fax: +39 (02 )90394231 Italy <ŶŽǁͲ,Žǁ͕^ĞƌǀŝnjŝŽ͕ŝƐƉŽŶŝďŝůŝƚăĐŽŶŝŶŽƐƚƌŝ͞ŝƐƚƌŝďƵƚŽƌŝYƵĂůŝĮĐĂƟ͟ 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 any mix any volume nuove Panasonic AM100 e SPG ITÀ ITÀ NOV NOV ME A C-TI 15” Tuso stampa 0 CPH 35.80 PICK & PLACE AM100 la All-in-One AM100 condensa tutte le funzioni necessarie all’assemblaggio PCB. Studiata per soddisfare i medi volumi, se composta da più moduli è ideale anche per produzioni elevate. Con la garanzia della grande esperienza Panasonic. incl ISPEZIONE 3-D INTEGRATA PER IL MASSIMO CONTROLLO COMPLETA VERSATILE COMPATTA FLESSIBILE PERFORMANTE SERIGRAFICA SPG VELOCE PULIZIA DEL TELAIO AD OGNI CICLO DI STAMPA SPG qODVHULJUD¿FDDGDOWH prestazioni che ottimizza i costi di produzione e assicura una qualità elevata e costante. la Performante PERFORMANTE VELOCE PRECISA RIPETIBILE ECONOMICA ACCESSIBILE TECNOLOGICA ECONOMICA Tel: +39 039 928 1194 info@packtronic.it - www.packtronic.it ▶ STORIA DI COPERTINA - CABIOTEC 9WX_ej[YYecf_[ l[djõWdd_ Ê GLI¿FLOHHYLWDUHGLVFLYRODUHQHOODEDQDOLWjRSHJJLR DQFRUDGLDSSDULUHDXWRFHOHEUDWLYLSURIRQGHQGRVLLQ ULQJUD]LDPHQWLDJUDGL&HUWRTXHVWRWUDJXDUGR ORGREELDPRDPROWLPDFLSLDFHULFRUGDUHFKLSHUSULPRFLKD GDWRODVXD¿GXFLDTXDQGRQHOORQWDQR±DUPDWLVRORGL XQDVFULYDQLDPDGLWDQWRHQWXVLDVPRHXQEDJDJOLRWHFQLFR GLWXWWRULVSHWWR±LOQRVWURSULPRIRUQLWRUHOD&RQFHSWURQLF ,QFFLKDFKLHVWRGLDLXWDUOLQHOODYHQGLWDGHLORURIRUQLD FRQYH]LRQHIRU]DWDVXOPHUFDWRLWDOLDQR(UDQRLPRPHQWL GHOOHQXRYHWHFQRORJLHGHOO¶D]RWRGHLSSPUHVLGXLFKHQRQ HUDQRPDLVXI¿FLHQWHPHQWHEDVVL(UDQRLPRPHQWLGHLFRORVVL LQGXVWULDOLWXWWLDQFRUDSUHVHQWLLQ,WDOLDFKHGHWWDYDQROHJJLH VSHFL¿FKHWHFQLFKHFKHSHUIDUYLVLWDUHOHORURXQLWjSURGXWWLYH XVDYDQRODQDYHWWDLQWHUQD(UDQRLPRPHQWLLQFXLWXWWRHUD DQFRUD³JUDQGH´H&DELRWHFSLFFROLVVLPD (UDQRYDVWHOHDUHHHVSRVLWLYHGHOOH¿HUHGLVHWWRUHJOLVWDQG JOLHYHQWLHUDQRSLJUDQGLLFRPSRQHQWLHOHWWURQLFLSHU¿QRQHO TXRWLGLDQRWXWWRHUDSLJUDQGHOHPRQWDWXUHGHJOLRFFKLDOL O¶DEELJOLDPHQWRLFRPSXWHULFHOOXODULHQRLSLFFROLQL FHUFDYDPRGLIDUFLQRWDUHFUHVFHQGRSRFRSHUYROWD &RPHQRQULQJUD]LDUHTXLQGLLOSULPRFOLHQWHFKHFLKDGDWR ¿GXFLDFKHQHOODVXDLPPHQVDIDEEULFDKDGHFLVRGLLQVWDOODUH XQIRUQR&RQFHSWURQLFLOPRGHOORSLSLFFRORHGHFRQRPLFR PDDFTXLVWDWRSURSULRGD&DELRWHF3RFRGRSRDEELDPR VFRSHUWRFKHTXHOIRUQRqVWDWRVPRQWDWRHVH]LRQDWRSHU HVVHUHULSURGRWWRPDQRLDEELDPRDQFRUDTXHOSULPRRUGLQH LQFRUQLFLDWR (FRPHQRQULQJUD]LDUHLQRVWULSULPLFROODERUDWRULFKH 16 PCB aprile 2014 LQVLHPHDQRLKDQQRDFFHWWDWRODV¿GDGLXQSHUFRUVRDUGXR 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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 aprile 2014 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 PCB aprile 2014 21 ▶ 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 22 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 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% 24 PCB aprile 2014 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”. Potenza e rapidità da circuito a aspetta ntact ti S, o C ix n Phoe DRIVE SPS IPC io, Parma ne 2 Magg 20 - 22 Padiglio E 037 d n a t S presso lo Portare potenza al circuito stampato richiede performance da campioni Indipendentemente dalle specifiche esigenze di connessione che ogni applicazione richiede, oggi è possibile avere maggiore potenza sul circuito stampato. I sistemi con connessione rapida di Phoenix Contact sono stati progettati per questo e per garantire rapidità nel montaggio del connettore. La gamma offre diverse soluzioni, tra cui: • Sistemi passaparete con entrata del cavo angolata • Morsetti con pinning zig-zag nel passo 10 mm con omologazione UL di 600 V in Use Group C • Sistemi passaparete azionabili con leva piombabile, dotati di custodie opzionali per protezioni fino ad IP 65/68 • Morsetti THR saldabili con connessione veloce per sezioni cavo fino a 6mm² e molto altro ancora. Scegli potenza e rapidità, scegli Phoenix Contact. 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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. 26 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 27 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. 28 PCB aprile 2014 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. PCB aprile 2014 29 ▶ 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 aprile 2014 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 PCB aprile 2014 31 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- 32 PCB aprile 2014 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. PCB aprile 2014 33 ▶ 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. 34 PCB aprile 2014 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) PCB aprile 2014 35 - 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. 36 PCB aprile 2014 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. 0(*6UO 9LD5RPHWWD*60DUWLQRGL/XSDUL3',WDO\ 7HO)D[ HPDLOPHS#WLQLWZZZPHJLW /20%$5',$ $6$7(&GL$VSHUJHV$QWRQLR 9LD3DOHUPR5RGDQR0, 7HO&HOO ▶ 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- 38 PCB aprile 2014 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, PCB aprile 2014 39 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- 40 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 41 ▶ 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. 42 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 43 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 44 PCB aprile 2014 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- PCB aprile 2014 45 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 46 PCB aprile 2014 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. PCB aprile 2014 47 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. C. Leary, Figure 1, 2, 6 e 7, FTIR images, Nashville, TN. Kyzen Corporation, maggio 2006. J. Quitmeyer, Flip Chip Cleaning Fluid Product Supplement, Nashville, TN, Kyzen Corporation, aprile 2006. J. Timler, Figure 4 directed spray image, Stoelting – Trek Company, agosto 2006. 48 PCB aprile 2014 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”. PCB aprile 2014 49 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- 50 PCB aprile 2014 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. PCB aprile 2014 51 ▶ 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- 52 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 53 ▶ 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 54 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 55 ▶ 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: 56 PCB aprile 2014 - 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. PCB aprile 2014 57 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 58 PCB aprile 2014 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. PCB aprile 2014 59 ▶ 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- 60 PCB aprile 2014 (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 61 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) 62 PCB aprile 2014 (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: info@esditaly.com ,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. 64 PCB aprile 2014 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: mana-pr@nims.go.jp 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 66 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 67 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 68 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 69 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. 70 PCB aprile 2014 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 PCB aprile 2014 71 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 Il sito per i professionisti delle tecnologie elettroniche: le notizie più aggiornate sul mondo dell’elettronica, i mercati, le aziende, i prodotti e gli eventi di settore elettronicanews.it Visita il sito e iscriviti alla newsletter gratuita di Elettronicanews ▶ 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 aprile 2014 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 WHIORQ LQFKVSHOO creare danni du PHWDOFRUH rante il traspor GLVVLSDWRULGLFDORUH to. Tutte le ope2PRORJD]LRQH LQWHUQRHVWHUQR razioni di im8/( ballo degli elementi sensibili &HUWLILFD]LRQH all’azione delle ,6281,(1 $5(/6UO9LD*'L9LWWRULR0D]]R'L5KR0, 7HO)D[ 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 aprile 2014 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 aprile 2014 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
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