IL SOLE 24 ORE S.p.A. - Sede operativa - Via Carlo Pisacane 1, ang. SS Sempione - 20016 PERO (Milano) - Rivista mensile, una copia € 5,00
SPECIALE:Tecnologie di packaging
PCB Magazine n.6 - GIUGNO 2011
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n.6
LA PRIMA RIVISTA ITALIANA SUI CIRCUITI STAMPATI
GIUGNO 2011
Capacity On Demand
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hai bisogno quando ne hai bisogno. Per la prima volta
è possibile incrementare le performance produttive
della macchina senza variare il „layout“ della linea e
modificare il „foot print“. Ciò è possibile in tempi brevi
nel momento in cui si debba gestire l’introduzione
di un nuovo prodotto oppure in occasione di picchi
produttivi stagionali. Sarà sempre possibile ripristinare
la capacità iniziale della linea qualora le richieste
produttive rientrino negli standard. Come? Con
le soluzioni SIPLACE SX Rent Performance, ci
proponiamo come tuo partner tecnologico. Se non
è possibile prevedere le esigenze di produttività
futura, le nostre formule di noleggio portali ti offrono
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▶ Editoriale
Terremoti
automobilistici
Non se ne parla spesso in queste pagine, ma uno dei
comparti di maggiore interesse per chi si occupi di
c.s. è senz’altro quello automobilistico.
Trasporti su gomma, automotive, sistemi avanzati
di controllo della circolazione stradale sono tutti
settori con forti ricadute per il nostro mondo,
visto soprattutto che - da qualche tempo - i valori
economici dell’elettronica a bordo dei veicoli privati
hanno segnalato aumenti complessivi consistenti:
oggi, secondo gli analisti di Morgan Stanley,
il valore dell’elettronica per vettura circolante
si attesta sui 5000 $ e, considerando che buona
parte degli approvvigionamenti di componenti
e dispositivi elettronici complessi proviene
(o, almeno, proveniva fino all’11 marzo) dal
Giappone, ecco che scatta il campanello d’allarme.
Sappiamo che la chiusura di interi stabilimenti
industriali ha messo in ginocchio l’economia
nipponica, con riflessi negativi sulle attività
produttive internazionali. Sergio Marchionne,
amministratore delegato di Fiat, ha fatto intendere
di essere preoccupato per le forniture di componenti
provenienti dal Giappone, soprattutto per quelli
elettronici, e ha dichiarato che il gruppo da lui
diretto conoscerà una flessione produttiva compresa
fra le 50mila e le 100mila unità in Europa proprio
per questi motivi nei prossimi mesi.
Un primo effetto c’è già: la proposta di Honda
di ridurre del 50% la produzione presso lo
stabilimento britannico di Swindon, uno dei siti
produttivi più grandi d’Europa, la dice lunga. E
la decisione è dovuta in parte proprio a difficoltà
di approvvigionamento di componenti elettronici
dalla madrepatria, da cui - come si è detto arriva la stragrande maggioranza dei componenti
usati in Europa e in America dalle industrie
automobilistiche.
Diversificare le fonti di approvvigionamento
diventa dunque una strada obbligata: si tratta
una strategia condivisa ad esempio da Martin
Winterkorn, presidente del gruppo Volkswagen.
Non è una soluzione semplice da attuare, certo, ma
di una scelta onerosa in termini di costi economici
e tempi d’attuazione. E poi, lo si sa bene, la
supply chain più è complessa, più è vulnerabile,
con la possibilità di incappare in problemi che
ne potrebbero compromettere l’affidabilità
complessiva.
Tutte variabili da tenere in debito conto, dunque,
se si vuole risolvere un problema che in questo
momento non è dei minori. D’altra parte potrebbe
essere questo il momento per dare un impulso a
realtà locali, che possano in certo qual modo ovviare
a questo “rallentamento”. Un rallentamento che è
temporaneo secondo alcuni (lo stesso Marchionne
prevede infatti un “rientro” del problema entro il
quarto trimestre dell’anno), ma di cui sarebbe poco
saggio non approfittare.
PCB
giugno 2011
5
▶ SOMMARIO - GIUGNO 2011
IN COPERTINA
agenda
Eventi/Piano Editoriale_ _______________ 10
a cura della Redazione
ultimissime_ _________________________ 12
a cura di Riccardo Busetto
l’angolo di copertina
I giganti della miniaturizzazione_________ 22
Raggiungere certe performance è una
questione di potenza.
Ovunque ci sia l’esigenza di gestire
connessioni di potenza elevate,
dai costruttori di inverter, UPS
ed azionamenti, fino all’impiego
nel più recente settore dell’energia
fotovoltaica, la gamma di morsetti
e connettori per circuiti stampati
di Phoenix Contact garantisce
performance di eccellenza.
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circuito stampato, dedica innovative
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6
PCB
giugno 2011
a cura di Antonella Galimberti
speciale
Tecnologie di packaging
Lo sviluppo nel packaging
e nelle interconnessioni_________________ 24
di Dario Gozzi
Land Grid Array (LGA) package_________ 30
di Davide Oltolina
Quad flatpack no lead__________________ 34
di Dario Gozzi
tecnologie
Soluzioni alternative___________________ 36
di L. Brandt, C. Jakob, L. Stam e D. Steinhäuser
Anno 25 - Numero 6 - Giugno 2011
www.elettronicanews.it
Direttore responsabile: Pierantonio Palerma
redazione: Riccardo Busetto (Responsabile di Redazione)
CONSULENTE TECNICO: Dario Gozzi
Collaboratori:
Piero Bianchi, L. Brandt,
Antonella Galimberti, C. Jakob, Davide Oltolina,
Fernando Rueda, L. Stam,
D. Steinhäuser, Dean Wiltshire
Progetto Grafico e impaginazione: Elena Fusari
progettazione
Pianificazione topologica di dettaglio______ 48
(seconda parte)
di Dean Wiltshire
Direttore Editoriale BUSINESS MEDIA: Mattia Losi
Proprietario ed editore: Il Sole 24 ORE S.p.A.
Sede legale: Via Monte Rosa, 91 - 20149 Milano
Presidente: Giancarlo Cerutti
Amministratore delegato: Donatella Treu
produzione
L’automazione dei processi______________ 54
(prima parte)
di Piero Bianchi
Meno problemi con più ESD____________ 60
Sede operativa: Via Carlo Pisacane, 1 - 20016 PERO (Milano) - Tel. 02 3022.1
Ufficio Traffico: Tel. 02 3022.6060
di Dario Gozzi
Saldatura reflow a condensazione_________ 64
di Davide Oltolina
Il clearing dei pcb_____________________ 66
(prima parte)
di Fernando Rueda
La tecnologia jet printing e la lean
manufacturing________________________ 70
di Dario Gozzi
test & quality
Il test con la scansione acustica___________ 74
di Davide Oltolina
fabbricanti
Produttori di circuiti stampati in base
al logo di fabbricazione_________________ 79
a cura della Redazione
PCB
giugno 2011
7
Stampa: Faenza Industrie Grafiche S.r.l. - Faenza (RA)
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Tel. 02 3022.6520 - Fax 02 3022.6521
Prezzo di una copia 5 euro (arretrati 7 euro).
Prezzo di un abbonamento Italia 42 euro, estero 84 euro.
Conto corrente postale n. 28308203 intestato a: Il Sole 24 ORE S.p.A.
L’abbonamento avrà inizio dal primo numero raggiungibile.
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ROC n. 6553 del 10 dicembre 2001
Associato a:
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presso il coordinamento delle segreterie redazionali (fax 02 3022.60951).
▶ Si parla di - Le aziende citate
Azienda
8
PCB
pag.
Azienda
pag.
A
Aab. Tech_ ______________ 20
M Mentor Graphics__14, 48-50, 52
Acel____________________ 20
Millenium Dataware_______ 20
Agm_ __________________ 20
Mydata_ _____________ 70-73
Alba Elettronica__________ 20
N
Neutec Electronic AG_ ____ 12
Arel____________________ 20
O
O&B___________________ 20
Assembléon______________ 14
OMR Italia______________ 20
Atotech_________________ 14
ORPRO Vision_ _________ 12
B
Baselectron______________ 20
P
P2S Elettronica___________ 20
C
Cabiotec_ ____________ 70-73
P.C.S.___________________ 20
Cistelaier________________ 20
Phoenix Contact_______ 22-23
Confindustria Anie________ 16
Piciesse_ ________________ 20
Corona_ ________________ 20
Prodelec_________________ 12
C-Tech Innovation________ 14
R
Ramidia_________________ 20
D
DPI_________________ 64-65
Rehm________________ 64-65
E
Ermes_ _________________ 20
S
S.I.T.EL_ _______________ 20
Esseti Circuiti____________ 20
Silga____________________ 20
Esseti Elettronica_________ 20
Siplace (ASM)_ __________ 18
F
Fin.Pro._________________ 12
Sonoscan_____________ 74-76
Fonover_________________ 20
ST Microelectronics_______ 14
G
Gruppo PCB Italy_ _______ 20
T
Techboard_______________ 20
I
Ierre____________________ 20
Tecnomaster_____________ 20
Indium_________________ 14
Tecnometal______________ 20
Isorg_ __________________ 14
Teknit__________________ 20
K
Koh Young_ _____________ 14
V
Verdant Electronics________ 14
Kyzen_ ______________ 66-68
VJ Electronix_____________ 18
L
Lopar___________________ 20
Z
Zestron_________________ 14
giigno 2011
Inserzionisti
pag.
A
APEX TOOL........................................ 27
AREL................................................... 80
ASM ASSEMBLY SYSTEM..................... 3
AUREL AUTOMATION....................... 43
B
BARBIERI............................................ 26
BASELECTRON................................... 80
C
CABIOTEC............................................. 4
COOKSON ELECTRONICS................... 31
CORONA............................................ 80
E
E.O.I. TECNE....................................... 51
ELABORA........................................... 53
F
FARNELL . .......................................... 47
FIERA PRODUCTRONICA................... 25
FLEXLINK SYSTEMS
DIVISIONE E-CUBE........................... 39
I
I-TRONIK.....................................11 - 19
INVENTEC . ........................................ 63
ISCRA DIELECTRICS.....................IV cop.
L
LIFE PROJECT................................9 - 29
LIFETEK............................................... 17
M
MENTOR GRAPHICS ......................... 55
MYAUTOMATION.............................. 41
O
OMR ITALIA................................. II cop.
OSAI A.S. . ......................................... 57
P
PACKTRONIC...................................... 33
PHOENIX CONTACT...................... I cop.
PRODELEC...................................13 - 15
R
RAMIDIA............................................ 81
RS COMPONENTS....................... III cop.
S
SPEA................................................... 45
STEALTECH......................................... 37
STELVIO KONTEK............................... 59
T
TECNOMASTER...........................75 - 81
TECNOMETAL.............................73 - 82
W
WIN-TEK............................................. 21
▶ AGENDA - FIERE E CONVEGNI
Data e luogo
10
PCB
Evento
Segreteria
31 maggio - 2 giugno
Mosca, Russia
SEMICON Russia 2011
SEMI Moscow
Alla Famitskaya
Tel. +7 495 97.86.291
Mob. +7 926 22.39.272
[email protected]
5 - 10 giugno
San Diego, CA
USA
48th DAC 2011
Cayenne Communication
Publicity Chair, 48th DAC
[email protected]
www.dac.com
21 - 23 giugno
Minneapolis, Minnesota
USA
IPC International Conference
on Flexible Circuits
IPC - Association Connecting Electronics Industries
3000 Lakeside Drive, 309 S,
Bannockburn, IL - 60015 - USA
Tel. +1 847 61.57.10.0
Fax +1 847 61.57.10.5
22 - 23 giugno
Orlando, FL
USA
2011 Americas HyperWorks
Technology Conference
One Grand Cypress Blvd.,
Orlando, FL 32836 - USA
Tel. +1 407 23.91.234
Fax +1 407 23.93.800
23 - 26 giugno
Bangkok,
Tailandia
Assembly Technology 2011
Reed Tradex Company
32nd fl., Sathorn Nakorn Tower
100/68-69 North Sathon Rd.
Silom, Bangrak, 10500 - Bangkok, Tailandia
Tel. +662 68.67.299
Fax +662 68.67.288
[email protected]
www.reedtradex.com
Piano editoriale 2011
Editorial calendar 2011
Gennaio
Macchine e sistemi coinvolti nella produzione di circuiti stampati
January
Machines and Systems for PCB Production
Febbraio
Il test funzionale
February
Functional Testing
Marzo
Regolamentazione e riciclaggio dei materiali elettronici
March
Electronics Materials Rules and Recycling
Aprile
Come è cambiata la distribuzione
April
A World in Changing: the Distribution
Maggio
Forni e profili termici
May
Ovens and Thermal Profiles
Giugno
Tecnologie di packaging
June
Packaging Technologies
Luglio - Agosto
Il punto sulle certificazioni, i centri SIT, le normative
July - August
Certifications, Calibration and Certification Centers, Regulations
Settembre
EMS, CEM e mondo dei terzisti
September
The World of EMS and CEM
Ottobre
Saldatura selettiva
October
Selective Soldering
Novembre
Panoramica P&P
November
Pick & Place Survey
Dicembre
AOI, ispezione 3D dei depositi serigrafici, raggi X
Dicember
AOI, 3D Printing Inspection, X-Ray
giugno 2011
▶ ULTIMISSIME - C.S. E DINTORNI
Nuova sede per ORPRO Vision
O
RPRO Vision, leader nel mercato dell’ispezione
ottica 3D, ha trasferito la sede centrale tedesca
in un nuovo e più ampio edificio, poco distante dal
precedente. I nuovi uffici offrono maggiore spazio
per i reparti commerciale, amministrativo e per il
supporto tecnico; inoltre, il laboratorio di ricerca e
sviluppo è stato ulteriormente ingrandito a seguito del
recente ampliamento del personale R&D.
I clienti in visita presso ORPRO Vision possono
ora disporre di una sala riunioni dedicata e possono
assistere a dimostrazioni su tutta la gamma di sistemi
per l’ispezione ottica post-serigrafia, post-saldatura
e post-placement incluso il nuovissimo sistema da
banco Insite B.
Adam Shaw, responsabile della Ricerca & Sviluppo,
ha commentato: “Il team di ORPRO Vision è
considerevolmente aumentato, e questo ha portato
alla necessità di cercare una nuova sede. La nuova
demo-room che è stata realizzata offre lo spazio per
presentare l’attuale gamma di prodotti e le nuove
piattaforme, per effettuare training e user group
meeting. La nuova sede ha già ospitato il primo
distributor meeting europeo durante il quale è stato
presentato in anteprima il nuovo sistema di ispezione
ottica da banco Insite B, che ha riscosso un notevole
successo alla fiera SMT”.
www.orprovision.com
Il Gruppo Fin.Pro. disinveste da Neutec
L
a holding Fin.Pro. ha
recentemente deciso di
vendere le proprie quote
della società svizzera
Neutec Electronic AG,
nella quale aveva deciso di
investire negli anni passati.
Le quote sono
state vendute a Jurg
Neuenschwander, General
Manager di Neutec, che
già deteneva il 48% della
società. Roberto Gatti,
12
PCB
giugno 2011
Presidente di Fin.Pro.,
ha dichiarato: “In
passato abbiamo
deciso di investire nel
mercato svizzero perché
strettamente collegato a
quello italiano dal punto
di vista commerciale
e per la comunanza
dei marchi distribuiti.
Attualmente, però,
non sussistono più i
presupposti per gestire
direttamente il mercato
attraverso una società
di proprietà. L’area del
Canton Ticino riveste
comunque notevole
importanza per Prodelec,
e verrà seguita attraverso
un commerciale dedicato
a quella zona. Abbiamo
posto in essere degli
accordi con Neutec per
continuare a seguire il
mercato svizzero”.
Fin.Pro., della quale fanno
parte Prodelec (Italia)
e il Gruppo ORPRO
Vision (Germania,
America e Asia),
ha scelto di concentrarsi
su altre operazioni, che
riguardano in particolare
le operatività italiane
e quelle di Orpro Vision.
www.prodelecgroup.com
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SMT/HYBRID/PACKAGING 2011
G
rande successo per
la consueta edizione
primaverile di SMT/
HYBRID/PACKAGING,
che si è svolta a
Norimberga fra il 3 e il 5
maggio e che quest’anno
si è presentata presso la
sede fieristica cittadina da
poco ristrutturata ora di
indubbio impatto estetico
complessivo.
Rispetto alla scorsa
edizione – che già aveva
fatto segnalare riscontri
di rilievo all’uscita dalla
crisi – l’evento bavarese ha
fatto registrare quest’anno
un ulteriore successo in
termini di visitatori e di
spazio espositivo, con un
aumento significativo
anche in termini di
interventi congressuali.
Contro i 26.000 mq
occupati dalla sezione
espositiva dell’edizione
2010, quest’anno i numeri
hanno segnato una crescita
di circa il 4% dell’area di
esposizione (27.000 mq),
spazio che ha permesso
ai più di 530 espositori
di presentare prodotti e
soluzioni per l’industria
elettronica.
14
PCB
giugno 2011
Anche se, naturalmente,
non sono da segnalare
novità di particolare
rilevanza, ciò a causa
principalmente
dell’imminente edizione
di Productronica
(evento biennale che
si terrà a Monaco il
prossimo novembre)
la partecipazione in
termini di presentazioni
tecnologiche è stata
tutt’altro che scarsa,
così come la presenza di
visitatori stranieri che ha
confermato una tendenza
all’internazionalizzazione
già notata nelle scorse
edizioni.
Importanti sono
stati, come si è detto,
le manifestazioni
congressuali, fra le quali
hanno spiccato per
interesse e innovazione il
consueto appuntamento
con EIPC e, quest’anno
in particolare, la seconda
edizione dell’ “Electronics
Day” organizzato dal
Sustainable Electronics
Manufacturing (SEM)
Working Group il giorno 4
maggio. Con una presenza
importante di esperti del
settore dell’elettronica
industriale (rappresentanti
di ST Microelectronics,
C-Tech Innovation,
Assembléon, Koh Young,
Mentor Graphics,
Atotech, Indium, Verdant
Electronics, Isorg e
Zestron) il SEM Working
Group ha ribadito gli
obiettivi di collaborazione
per la definizione di una
roadmap industriale
che segua la linea della
sostenibilità nella
produzione elettronica
industriale.
Evento altrettanto
importante è stata
quest’anno la premiazione
del giovane ingegnere
da parte del comitato di
valutazione presieduto dal
direttore generale di SMT,
Udo Weller.
Quest’anno è stato
dichiarato vincitore del
premio Daniel Hahn
del Fraunhofer IZM di
Berlino con la sua ricerca
dal titolo “Zuverlässigkeit
konkaver Flip-ChipLotverbindungen bei
kombinierter Belastung
durch Temperatur und
Vibration” (Affidabilità
giunti di saldatura flipchip
concavi sotto l’esposizione
combinata di temperatura
e vibrazioni).
La prossima edizione
di SMT/HYBRID/
PACKAGING si terrà
sempre presso la stessa
sede fra l’8 e il 10 maggio
del 2012.
Elettronica ed elettrotecnica italiana,
un trimestre tra luci e ombre
F
atturati e ordini in
crescita, produzione
industriale in calo. È un
ritratto con luci e ombre
quello dipinto dall’Istat
sul primo trimestre
2011 dell’industria
dell’elettronica e
dell’elettrotecnica
italiana. Secondo i dati
appena diffusi, i due
comparti rappresentati da
Confindustria Anie hanno
evidenziato nel primo
trimestre 2011 dinamiche
differenziate nel recupero
dei principali indicatori.
Nello specifico, i dati
relativi al fatturato
continuano a mostrare
tassi di recupero
dinamici. A marzo 2011,
nel confronto con lo
stesso mese del 2010,
l’industria elettrotecnica
italiana ha evidenziato
un incremento del
fatturato totale del 10,5%,
l’elettronica del 21,7%
(+8,8% la variazione nella
media del manifatturiero).
Nel primo trimestre 2011,
nel confronto su base
annua, il volume d’affari
complessivo ha registrato
una crescita del 16,7% per
l’elettrotecnica, del 19,7%
per l’elettronica (+10,9%
la variazione nella media
del manifatturiero
italiano).
Anche il portafoglio ordini
è tornato decisamente in
positivo, dopo le incertezze
che hanno caratterizzato i
primi mesi del 2011.
16
PCB
giugno 2011
Nel primo trimestre
2011, nel confronto
con lo stesso periodo
dell’anno precedente,
l’ordinato totale
ha mostrato per
l’elettrotecnica
una crescita a due
cifre (+26,2%);
più moderata la
variazione per
l’elettronica (+2,6%).
Si mantengono
discordanti i
dati relativi al
Guidalberto Guidi,
profilo produttivo
presidente di Confindustria Anie
che muove in
controtendenza.
“Nel primo trimestre
Nel primo trimestre
2011 i settori Anie
2011 i settori Anie
continuano a esprimere
hanno sperimentato un
andamenti differenziati e
andamento altalenante
discontinui mese per mese
della produzione
nel ritmo di recupero dei
industriale, che si è
principali indicatori”, ha
tradotto in un risultato
commentato il Presidente
cumulato trimestrale
di Confindustria Anie,
negativo. In particolare,
Guidalberto Guidi.
nella media dei primi
“Calano bruscamente i
tre mesi del 2011, nel
livelli di attività industriale,
confronto con lo stesso
mentre segnali positivi
periodo del 2010,
vengono dal recupero del
l’elettronica ha evidenziato
volume d’affari. Occorre
una caduta dei livelli di
però considerare che sui
attività del 10,4%. Più
dati a valori correnti si
contenuta la flessione per
riflette in molti comparti
l’elettrotecnica (-1,7%).
il rialzo dei prezzi delle
Nel confronto europeo
materie prime impiegate
l’industria elettrotecnica
nei cicli produttivi,
ed elettronica italiana ha
che amplifica i tassi di
mostrato un andamento
variazione. I dati dei primi
del profilo produttivo
mesi del 2011 mostrano
disallineato con la media
risultati non univoci,
dell’Unione, in particolare
che non muovono nella
con la Germania, che ha al
direzione di una crescita
contrario messo a segno un
diffusa e continuativa”.
recupero a due cifre.
“Si mantiene una
forte dicotomia fra
consolidamento della
ripresa internazionale in
alcuni mercati e ritardo
nel recupero italiano”,
ha proseguito Guidi.
“Guardiamo ancora una
volta alla Germania, nostro
principale competitor
in ambito europeo nei
comparti high-tech. Le
stime preliminari del
primo trimestre 2011
indicano una crescita del
prodotto interno lordo
tedesco vicina al 5%,
cinque volte in più di
quello italiano che stenta a
superare un modesto 1%.
Questi andamenti macro si
ripercuotono direttamente
sull’evoluzione della
domanda interna nei
settori Anie. Se nel
primo trimestre 2011 le
imprese elettrotecniche
ed elettroniche tedesche
hanno messo a segno
un incremento della
produzione industriale
vicino ai 20 punti
percentuali, nello stesso
periodo quelle italiane
non hanno mantenuto
i livelli di attività
conseguiti, entrando in
territorio negativo. Una
discordanza che, a fronte
di una comune proiezione
all’estero, continua a
trovare spiegazione nella
debolezza della domanda
espressa dal mercato
nazionale per le imprese
Anie”.
La presenza di Siplace alla fiera di Norimberga
Siplace presenta un nuovo concetto di set-up
B
uone notizie in arrivo
per gli stabilimenti
di produzione elettronica
con frequenti cambi di
prodotto di dimensioni
molto piccole. Con
l’introduzione di Random
Setup, Siplace propone
un concetto di setup che
ne semplifica e accelera
in modo significativo
le procedure. “Random
Setup – ha sottolineato
Hubert Egger, Marketing
Manager Siplace
Software – si basa su un
concetto di installazione
che è stato progettato
specificamente per le
esigenze dei moderni
ambienti high-mix”.
Grazie a Random Setup,
proprio come suggerisce
il nome, gli operatori
possono posizionare
gli alimentatori e i
componenti in qualsiasi
punto della linea o del
tavolo di alimentazione
anziché in specifiche
posizioni. I produttori di
elettronica possono così
di beneficiare di setup
molto più veloci e, di
conseguenza, migliore la
produttività della linea.
Allo stesso tempo, si riduce
significativamente sia la
quantità di alimentatori
necessari sia la possibilità
di errore.
Siplace (ASM)
www.siplace.com
VJ Electronix vince l’Npi Award 2011
V
J Electronix si
è aggiudicata
l’Npi (New product
introduction) Award 2011
per la sua piattaforma
SRT Micra Rework. La
Micra SRT si presenta in
un formato da banco ed è
specificamente progettata
per la rilavorazione di
prodotti mobili contenenti
dispositivi di piccole
dimensioni e ad alta
densità elettronica, quali
smartphone, netbook, Gps
e altri prodotti handheld.
Oltre a presentarsi
come una piattaforma
ideale per applicazioni
18
PCB
giugno 2011
di largo consumo, SRT
Micra Rework aumenta
e ottimizza i tempi di
produttività anche in
tutte quelle applicazioni
in cui è richiesta alta
affidabilità e alto valore.
In questo senso, Micra
assicura elevate garanzie
anche in applicazioni
tipiche del settore
aerospaziale, dispositivi
medici, automotive,
l’ambiente marino con le
sue condizioni estreme.
Più in generale, Micra
soddisfa l’ampia gamma
di applicazioni industriali
e commerciali. Gli assi
nella manica di Micra,
per garantire la massima
efficienza, sono la
funzionalità Auto-Run,
una nuova concezione
di automatizzazione dei
processi e un ingegnere di
processo virtuale.
VJ Electronix
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Pcb, la necessità di un prezzo congruo
Le problematiche relative agli aumenti dei costi dei pcb sono argomento di estrema
attualità. Ecco quanto comunicato in questi giorni dal gruppo PCB Italy, che
comprende 24 aziende specializzate in produzione e/o commercializzazione di c.s.
“D
opo la crisi
globale, la ripresa
del comparto elettronico,
che sembra anticipare la
ripresa degli altri settori,
vede una forte crescita del
mercato interno cinese,
con la conseguenza di
forte richiesta di materie
prime quali laminati, rame,
stagno, oro e argento.
Purtroppo, la capacità
produttiva di queste
materie prime non può
essere incrementata
tempestivamente, pertanto
ne conseguirà la difficoltà
di approvvigionamento.
È il caso del tessuto
di vetro e delle resine
epossidiche per la
produzione dei laminati
che, oltre ad aumentare
di prezzo per effetto
dell’aumento del prezzo
del petrolio e delle altre
materie prime, non
potranno essere prodotti
in quantità sufficiente al
fabbisogno. Occorrono
infatti almeno due
anni per avviare uno
stabilimento per la
produzione del tessuto; la
corsa all’accaparramento
è infatti già iniziata, con
conseguenti maggiori costi
dovuti all’investimento e
alla ridotta rotazione del
magazzino.
Se si considera inoltre
lo scarso interesse che
hanno gli asiatici a vendere
laminato all’Europa, ne
consegue un’ulteriore
inevitabile aumento del
prezzo del laminato FR4.
Tutti i fornitori di laminato
hanno già applicato un
aumento indiscutibile del
15% preannunciando una
serie di ulteriori aumenti
fino a oltre il 40% entro la
fine 2011.
Che dire poi delle
altre materie prime? Si
osservino in Tabella 1 le
variazioni di prezzo degli
ultimi 3 anni.
Considerando che
l’incidenza delle
materie prime sul costo
Il Gruppo PCB Italy
Aab.Tech
Esseti Circuiti
P.C.S.
Acel
Esseti Elettronica
Piciesse
Agm
Fonover
Ramidia
Alba Elettronica
Ierre
S.I.T.El
Arel
Lopar
Silga
Baselectron
Millenium Dataware
Techboard
Cistelaier
O&B
Tecnomaster
Corona.
Omr Italia
Tecnometal
Ermes
P2s Elettronica
Teknit
complessivo del pcb è del
20/50% in funzione della
tipologia di prodotto,
ne consegue la necessità
di applicare aumenti
significativi che riportino
la giusta marginalità
ai costruttori di pcb, i
quali sono comunque
costretti a fare importanti
investimenti tecnologici
per adeguare i loro impianti
alla sempre crescente
complessità dei prodotti
richiesti dal mercato.
Tabella 1 – Variazione dei prezzi delle materie prime 2009-2011
20
PCB
2009
2010
2011
% ’11 su ‘10
Rame
3,8 $/Kg
7,6 $/kg
10,8 $/kg
+40%
Stagno
10 $/kg
17 $/kg
30 $/kg
+70%
Oro
600 $/Oz
1.200 $/Oz
1.540 $/Oz
+27%
Petrolio
36 $/barile
70 $/barile
130 $/barile
+80%
giugno 2011
Questo era però lo
scenario antecedente le
note vicende del nord
Africa che hanno fatto
ulteriormente impennare
il prezzo del petrolio e dei
suoi derivati.
Ora le certezze
diminuiscono, ma
sicuramente non i prezzi.
Alla luce di queste
considerazioni gli aumenti
che si stanno verificando
nel mercato pcb risultano
più che giustificati e
probabilmente non
si tratterà di un una
tantum, ma di un trend
di incremento che avrà
termine solo quando il
mercato delle materie
prime non si sarà
stabilizzato”.
Gruppo PCB Italy
▶ ANGOLO DI COPERTINA - AZIENDE E SOLUZIONI
I giganti della
miniaturizzazione
Soluzioni per la connessione di potenza
e per il mercato dei LED
a cura di Antonella Galimberti
I
l settore delle connessioni rappresenta storicamente il campo di
eccellenza dell’azienda: nessuna
sorpresa, quindi, che in concomitanza
con la sua riorganizzazione in divisioni, Phoenix Contact abbia deciso
di creare una struttura appositamente dedicata a supportare l’ambito dei
dispositivi di connessione per circuito
stampato e delle custodie per elettronica. Si tratta della Divisione Device Connection, operante sull’intero
territorio nazionale sotto la guida di
Roberto Falaschi.
“L’obiettivo della nostra struttura è quello di confermare il ruolo di leader tecnologico che
Phoenix Contact riveste nel
mondo dei sistemi di connessione per il circuito
stampato, attraverso
una conoscenza del
mercato che permetta di captare i trend
tecnologici
22
PCB
giugno 2011
e rispondervi in tempi brevi, con una
proposta dalle performance superiori alla media e un supporto competente” spiega Falaschi. Phoenix Contact
rivolge quindi una costante attenzione alle dinamiche tecniche e tecnologiche dell’industria. “In particolare, gli
ultimi anni hanno visto lo svilupparsi di trend tecnologici ben precisi: mi
riferisco ad esempio alla costante richiesta di miniaturizzazione delle connessioni e di incremento della densità
di cablaggio, alla ricerca di metodi di
connessione ergonomici ma affidabili,
all’esigenza di portare correnti sempre
più elevate alle schede. Si è inoltre assistito alla massiccia diffusione di tecnologie specifiche come Ethernet o come i processi di saldatura reflow, entrambi richiedenti sistemi di connessione adeguati.
Ricerca & Sviluppo
La competenza maturata nel settore e i continui investimenti in ricerca e sviluppo, permettono a Phoenix
Contact di giocare un ruolo da leader
nel settore, con una gamma di morsetti e connettori per circuiti stampati che
garantisce performance di eccellenza e
risposte ad ogni esigenza: ad esempio,
i morsetti e connettori di potenza con
portata in corrente fino a 125 A o con
portata in tensione fino ai 1000 Volt
(omologazione VDE) permettono di
portare correnti sempre più elevate alle
schede, mentre la vasta gamma di connessioni a molla (di tipo classico, pushin e a leva) garantisce un collegamento facile ed efficace alle schede da circuito stampato, con ingombri estremamente ridotti”.
Una delle tecnologie emergenti a
cui Phoenix Contact guarda con particolare interesse è attualmente quella della luce a LED, in rapida ascesa nel mercato anche grazie alla sempre maggiore attenzione che gli utilizzatori finali ripongono sul tema
di risparmio energetico e del consumo orientato all’efficienza. “Phoenix
Contact si è aperta a questo mondo
introducendo dapprima la famiglia di
morsetti e connettori serie PT, comprendente il più piccolo morsetto a
molla del mondo. Da allora, la gamma di prodotti dedicata al mondo dei
LED si è rapidamente ampliata”.
Il riferimento è quindi anzitutto
ai miniconnettori a molla per circuito stampato PTSM, disponibili nella
versione SMT per il montaggio verticale superficiale, o THR per tecnologie di saldatura reflow. “Questi miniconnettori, particolarmente utili nella connessione di strisce LED, sono
in grado di gestire correnti fino a 6A
con un passo di soli 2,5 mm e 5,0 mm
di altezza” continua Falaschi. “Grazie
a tali dimensioni, si adattano in modo
ottimale all’impiego con schede per
circuiti stampati metal core rivestite
su un lato, come quelle normalmente
in uso tra i produttori di sistemi LED.
A complemento al morsetto PTSM,
la gamma Combicon di Phoenix
Contact comprende poi prese base
adatte al processo di saldatura SMT
o THR e disponibili in versione orizzontale e verticale. Per una maggiore
praticità, tutti i morsetti e connettori
delle serie PTSM sono inoltre confezionati in bobine ed equipaggiati per
l’impiego in linee di saldatura automatizzate. Il cablaggio di conduttori
rigidi e flessibili fino a 0,75 mm2 si realizza con un operazione di inserzione
diretta grazie all’utilizzo della recente
tecnologia PIT (Push In Technology)
a molla, senza che si rendano necessarie preparazioni preventive o l’utilizzo
di utensili particolari”.
Tutto per i LED
Un’altra novità di prodotto utilizzabile nel mondo LED, ma non solo, è il
morsetto per circuito stampato PTQ
a due poli. “Si tratta di un componente estremamente piccolo, con un’altezza complessiva di soli 8 mm, sviluppato appositamente per l’impiego
in processi di saldatura THR automatizzati. Grazie ad esso, il collegamento dei conduttori a coppie è realizzabile in modo particolarmente agevole
e sicuro, grazie alla tecnica a perforazione di isolante: l’operazione di collegamento non richiede quindi l’impiego di alcun utensile specifico, così
come quella di sblocco del conduttore cablato, attuabile mendiante un’apposita leva.
Confezionati anch’essi in bobine e
perfettamente adeguati all’impiego in
processi di assemblaggio completamente automatizzati, i morsetti PTQ
consentono all’utilizzatore notevoli
risparmi in termini di tempo ed una
maggiore efficienza di produzione”.
L’attenzione all’esigenza di rendere più rapidi, pratici ed automatici i
processi è quindi una costante delle
proposte Phoenix Contact, sia nelle fasi di produzione che in quelle di
installazione. “Per far fronte alle esigenze di semplificazione dei processi di cablaggio, nel campo dei LED
ed in particolare per la connessione di faretti LED può trovare un utile impiego il sistema Quickon QPD.
Questo dispositivo di connessione rapida è disponibile in versione “passaparete”, per montaggio diretto sul faretto, oppure in versione “giunto” per
la realizzazione di connessioni volanti. Grazie alla tecnologia di connessione Quickon, basata sul principio
della perforazione d’isolante, si riduce
il numero di operazioni da effettuare
per procedere al cablaggio di conduttori e si ottiene un cablaggio rapido
e senza utensili. Per realizzare il contatto diviene quindi sufficiente inserire il conduttore a scatto nell’alloggiamento predisposto, tagliarlo e avvitare la custodia: durante il serraggio
del dado, la lama perfora l’isolamento
del cavo e crea un collegamento elastico, resistente alle vibrazioni e a tenuta di gas”.
Ovviamente la nuova organizzazione in divisioni non pregiudica il
saldo rapporto con i partner della distribuzione specializzata che da tempo caratterizza l’operato di Phoenix
Contact. Anzi, come sottolinea
Falaschi, “la distribuzione specializzata è fondamentale per questo mercato: la sua rete è a fianco del cliente,
ovunque egli si trovi, fornendo consulenza ed assistenza altamente qualificate. Grazie alla sinergia forte e continuativa con questi partner, i nostri
clienti possono sempre contare su un
servizio di livello elevato, in grado di
soddisfare, o talvolta anticipare, ogni
loro esigenza”.
Phoenix Contact S.p.A.
Tel. 02/660591
Fax 02/66059500
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PCB
giugno 2011
23
▶ speciale - Tecnologie di packaging
Lo sviluppo
nel packaging
e nelle interconnessioni
Innumerevoli sono le soluzioni che hanno permesso
progressi verso miniaturizzazioni sempre più spinte e che hanno
saputo migliorare le prestazioni circuitali dei componenti ampliando
notevolmente gli orizzonti della tecnologia elettronica
di Dario Gozzi
I
l trend nello sviluppo dei semiconduttori e più ancora alcuni
particolari segmenti di mercato,
guidano lo sviluppo del packaging che
a sua volta coinvolge la tecnologia dei
substrati, sia rigidi che flessibili.
L’evoluzione attuale non si discosta
da quanto già osservato da Moore nel
lontano 1965, ovvero che ogni 18 mesi si registra un aumento tanto nella potenzialità dei circuiti elettronici (a livello di componente) quanto nel numero
di terminali (input/output).
Uno studio dell’ITRS ha individuato sei principali segmenti di mercato
capaci di trainare l’evoluzione dei semiconduttori e del relativo packaging:
- prodotti low cost, dove convergono
microcontrollori, display, disk drive
e prodotti di consumo in generale;
- prodotti portatili, telefoni cellulari in
testa, ma anche tutto quello che funziona a batteria ed è trasportabile;
- prodotti di fascia media per costi e prestazioni, come i notebook, i
24
PCB
giugno 2011
personal computer desktop, i dispositivi per telecomunicazione;
- prodotti ad alte prestazioni per il
settore avionico, i supercomputer, le
workstation di alto profilo;
- memorie, DRAM e SRAM;
- prodotti per automotive, in particolare sottocofano e per estensione
tutti i prodotti che devono lavorare
in ambienti ostili.
In particolare due sono le aree che
danno con maggiore enfasi la propulsione all’evoluzione del packaging, i prodotti portatili e quelli di fascia media. I primi sono basati su una tecnologia elettronica mista, hanno dimensioni contenute, sono realizzati in grandi volumi e non
godendo di prestazioni particolarmente
elevate sono rivolti a una fascia di mercato sensibile al costo. I prodotti di fascia media hanno maggiori prestazioni
dei precedenti e si rivolgono a chi ricerca
una tecnologia più sofisticata ed è disposto a una maggiore spesa.
Le aree maggiormente coinvolte sotto il profilo tecnologico nello sviluppo
del packaging e delle interconnessioni sono:
- fine line multilayer flex;
- thin film passives;
- multichip modules;
- 3D electronic assembly;
- chip scale packaging;
- led packaging;
- power packaging;
- power overlay packaging;
- WBG (Wide Bandgap Technology)
packaging;
- nano interconnects;
- mems packaging;
- photonics packaging.
L’evoluzione tra
prestazioni e packaging
Quella che è ormai riconosciuta universalmente come legge di
Moore, descrive l’evoluzione elettronica non solo e non tanto in termini di
Wide Bandgap Technology
La tecnologia wide bandgap si basa sull’utilizzo del carburo di silicio (SiC). Il SiC puro è incolore, la lucentezza dei cristalli, capaci di scomporre la luce nei colori dell’arcobaleno,
è dovuta all’autopassivazione del materiale che si ricopre di
un sottile strato di SiO2. Tra tutte le sue forme cristalline, l’alfa è la più comune (SiC-α), si forma a temperature superiori ai 2000 °C e ha un struttura cristallina esagonale. È inerte dal punto di vista chimico, ha un bassissimo coefficiente
di dilatazione termica, ma possiede un’elevata conducibilità
termica. In particolare quest’ultima sua caratteristica, unitamente all’alta densità di corrente che è capace di sopportare, lo rendono attualmente un materiale molto interessante
come semiconduttore, sicuramente più promettente del silicio per gli utilizzi nell’alta potenza, nell’alta frequenza e alle
alte temperature (fino a 500 – 600 °C).
L’attuale limite è dettato dalla qualità del materiale di partenza, i substrati da lavorare per ottenere il dispositivo finale.
Gli attuali wafer di silicio arrivano a diametri superiori ai 12”
(30,48 cm), sono di elevata purezza e ottima qualità cristallografica. La difettosità è ritenuta ormai insignificante.
I wafer di SiC oggi disponibili hanno diametri attorno ai 4”
(10 cm), ma in particolare la presenza dei difetti (micropipe,
stacking fault, dislocation) è ancora troppo elevata per ottenere dispositivi con il livello di affidabilità richiesto dall’elettronica di ultima generazione. Esiste inoltre il problema dei
costi. Per il substrato di silicio l’incidenza sul dispositivo finale (componente) è inferiore al 5%, mentre nel caso del SiC
è ancora attestata attorno al 50%.
I substrati di carburo di silicio sono ottenuti mediante il processo di crescita epitassiale di tipo HTCVD (High Temperature
Chemical Vapour Deposition). In pratica gli strati epitassiali di
SiC sono ottenuti da vapori contenenti silicio e carbonio in
reattori ad alta temperatura.
È in atto una forte sperimentazione per arrivare a un utilizzo estensivo di questo materiale nella costruzione di sensori e vari altri componenti elettronici; attualmente si producono solo i diodi schottky.
La tecnologia di crescita epitassiale consente di accrescere
strati di silicio monocristallino su di un substrato, anch’esso
di silicio monocristallino che ne indirizza la crescita e ne determina le proprietà strutturali. È comunque possibile ottenere la deposizione di altri materiali metallici al fine di realizzare le connessioni tra i vari dispositivi di un chip. Lo spessore
dello strato epitassiale può variare dalla frazione di un nanometro a centinaia di micron, con controllo dello spessore dei
materiali dell’ordine del singolo strato atomico.
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miniaturizzazione, ma particolarmente
come l’innovazione strutturale dei dispositivi, ivi inclusa la riduzione delle
tensioni di alimentazione
Le caratteristiche fisiche dei semiconduttori stanno passando dal submicroscopico (0,1 – 0,5 µm) al nanometrico (10 – 100 nm) con il pin count
che va evolvendo dai 100 I/O verso il
migliaio di I/O. Le frequenze da intervalli di lavoro compresi tra 1 e 3 GHz si
portano verso i 3 – 10 GHz, le tensioni
di alimentazione vanno decrementando il loro attuale range di 1,5 – 2,5 V
a meno di 1 V, mentre le potenze sviluppate subiscono una migrazione che
dagli attuali 1-10 W/cm2 si sposta verso i 50 W/cm2. Questo trend dei semiconduttori ha una significativa ricaduta su ogni aspetto che riguarda il packaging e l’interconnessione. L’aumento
nel numero degli
I/O a livello di
chip ricade direttamente sul pin
count del componente innescando il processo che ha portato al trasferimento dei contatti dai
bordi laterali a
sotto il corpo con
tecnologia area
array (per esempio LGA, BGA).
Il secondo passo consiste nel
trovare soluzioni percorribili e
affidabili per costringerne quanto più possibile la dimensione del passo (I/O
pitch).
A questo punto le problematiche si
allargano alla tecnologia dei substrati e
delle interconnessioni, tanto a livello di
componente che a livello di pcb , chiamando in causa la tecnologia HDI e di
conseguenza lo sviluppo di piste e isolamenti con dimensioni infinitesimali, interconnessioni a livello di pad e problemi di dissipazione termica. Sotto il profilo elettrico sono da considerare le proprietà dielettriche e le impedenze che
più di prima possono alterare il funzionamento circuitale alle alte frequenze
di lavoro; di conseguenza una maggiore cura deve essere posta nella scelta dei
materiali che costituiscono il substrato,
degli isolamenti e per le vie di dissipazione termica.
Riassumendo ci sono alcuni elementi di base che definiscono la struttura di
un package in microelettronica:
- la connessione elettrica del die al
package mediante tecnologia die e
wire bonding, TAB o solder bump;
- l’incapsulamento con underfill e
molding (overmolding, transfer o
injection molding);
- il materiale del substrato, ceramico o
organico;
- la connessione del package al pcb,
thru-hole, SMT lead, area array.
Dalla preistoria
ai giorni nostri
Parte dagli anni 60’ e 70’ (se non la
preistoria, sicuramente la storia antica
dell’elettronica) l’evoluzione dei package
che ha portato agli attuali SiP e SoS.
Agli albori lo standard era costituito dai Dual-in-Line Plated-ThroughHole, poco costosi e strutturalmente
robusti, ma dal limitato numero di I/O
(64) e con passo di 100 mil. L’avvento
del montaggio superficiale negli anni
80’ e 90’ ha portato all’introduzione dei
terminali sui quattro lati, aumentando il
numero degli I/O su valori superiori ai
200 pin; il passo ha subito riduzioni fino
a scendere a livello di 25 -20 mil dando
il via alla vera corsa verso la
miniaturizzazione più spinta, ma introducendo i primi pesanti
problemi di processo.
L’aumento dei terminali comporta
seri problemi nel dimensionamento dei
package perché a ogni raddoppio del
numero dei pin corrisponde grosso modo una quadruplicazione dell’area del
corpo. I componenti diventano costosi, con le dimensioni in controtendenza
agli obiettivi desiderati di miniaturizzazione e con gravi pregiudiziali sul processo di assemblaggio e sull’affidabilità
dei pcb che ne risultano.
Si passa di conseguenza a formulare
nuovi package che abbiano i terminali
di contattazione sotto il corpo del componente, nasce la generazione area array, di cui fanno parte i BGA, i LGA,
i flip-chip (in carrier e su scheda); una
svolta tecnologica che approderà agli
ancor più sofisticati multichip module, ai system-in-package e ai sistemi 3D
(chip-on-chip, stacked die).
Considerando un package area array
a 50 mil, l’aumento di un fattore 4 dei
suoi terminali, comporta un quadruplicamento dell’area del corpo del componente.
Visto da un’altra angolazione, ovvero mantenendo fissa la dimensione del
corpo, diminuendo della metà il passo dei terminali, si ottiene come beneficio di quadruplicare il loro numero.
Considerando un area array di 49 mm2
si potrà disporre di 25 terminali con
passo 1,2 mm oppure di 100 terminali a passo 0,6 mm.
Un numero di I/O attorno ai 300 è
considerato di fascia media e normalmente ha un passo di 0,4 mm, un die di
10x10 mm, piste e isolamenti di 35 µm e
via hole di 90 µm. La connessione elettrica tra il die e il substrato alla base del
componente viene fatta con tecnologia
wire bonding. La stessa impiegata nel
caso di componenti ad elevato pin count
(tra 500 e 1000 I/O); in questo caso il
passo tra le piazzole di bonding, eseguito
con filo in oro, è di 60 µm o meno.
Proseguendo nell’opera di miniaturizzazione, i limiti posti dalla connessione
wire bonding (eseguito a livello perimetrale) sono identiche a quelle riscontrate
ponendo i terminali sui quattro lati del
corpo dei componenti (leaded carrier).
Una diminuzione del passo introdurrebbe grossi problemi di produttività e
di affidabilità.
Il ricorso alla tecnologia flip chip ha
consentito di utilizzare l’intera superficie
del die per posizionare le piazzole di interconnessione e di eliminare tutta una
serie di difficoltà (leggi potenziali difettosità) dovute al wire bonding, come parassitismo dei segnali, CTE, formazione
di microcricche… La storia dei flip chip
è per la verità iniziata in IBM negli anni ’60 (si potrebbe parlare di evoluzione
parallela o convergenza evolutiva) con
la tecnologia C4 e poi ripresa da molti
e con molte differenze o semplici sfumature, fino ai giorni nostri.
Tecnologia multi chip
La tecnologia multichip è un altro approccio sviluppato per ottenere buone prestazioni a costi contenuti. A differenza della tecnologia single
chip che vede un singolo IC posizionato all’interno del package, la tecnologia
28
PCB
giugno 2011
-
-
multichip prevede duo o più
IC alloggiati all’interno di un
package comune:
MultiChip Modules (MCM), contenente fino a 10 IC con la possibile
presenza di componenti discreti;
MultiChip Packages (MCP), è una
versione ridotta del precedente, contiene da 2 a 6 IC;
System-in-Package (SiP), si tratta di
un multichip in cui c’è la presenza,
in funzione dell’utilizzo, di digitale e
analogica, potenza e radiofrequenza,
su un substrato dal costo contenuto;
System-on-Package (SOP), pone
un intero sistema sul singolo chipsize package.
Quando la soluzione a singolo chip
non consente di ottenere le prestazioni
desiderate, il ricorso allo stacked package permette di risparmiare spazio sul
substrato. Questa soluzione ha dimostrato un miglior comportamento sotto
il profilo elettrico rispetto alle soluzioni multichip bidimensionali, ma risente
del problema della dissipazione termica,
ragion per cui l’utilizzo predominante è
a livello di memorie.
Anche in questo caso sono state sviluppate diverse soluzioni, per esempio
nel package QFP sono stati inseriti die
in configurazione stacked ponendone
uno sul lato top del leadframe e uno sul
lato bottom. Nei package BGA si possono racchiudere due o più dice posizionati uno sull’altro e collegati tra loro o con
il substrato intermedio (interposer). In
alternativa la connessione può avvenire con tecnica flip chip o essere un misto
col wire bonding.
Utilizzata per addensare un mix di circuiti logici e di memoria, la Folded Stack
Chip Scale Package è la tecnologia che
permette di realizzare lo stacking dei dice su substrato flessibile, ripiegando il
tutto su se stesso anche più volte, ricavandone una soluzione che consente di
impacchettare in poco spazio una notevole quantità di logica e di memoria.
▶ speciale - Tecnologie di packaging
Land Grid Array (LGA)
package
Il package LGA riduce l’altezza del componente perché elimina
lo stand-off associato alle ball proprie delle configurazioni BGA.
I giunti di saldatura che ne conseguono sono quindi molto più sottili
e questo favorisce anche la dissipazione termica del componente
di Davide Oltolina
I
componenti LGA appartengono
alla famiglia degli area array le
cui connessioni di secondo livello,
dal package al pcb, sono costituite da
una griglia di superfici saldabili il cui
layout è del tutto simile a quello dei
BGA, ma senza la presenza delle classiche sfere di interconnessione.
Le superfici saldabili si trovano sul
lato bottom del componente e la loro geometria spesso include, accanto
30
PCB
giugno 2011
alle piazzole per la trasmissione del
segnale, un’area di grande dimensione
dedicata alla connessione di ground o
alla dissipazione termica.
I substrati utilizzati per ospitare il circuito in silicio possono essere in ceramica o in laminato organico
caratterizzato da un alto Tg e capace
di ospitare connessioni ad alta densità (HDI).
I componenti LGA, almeno quanto
i BGA, hanno mostrato un buon grado di tolleranza nei confronti del disallineamento delle piazzole; durante
la rifusione ambedue i package mostrano una capacità di autoallineamento sia in X che in Y, ma anche nel
caso della rotazione.
Se le migliori prestazioni di autoallineamento sono state riscontrate con
la presenza della griglia di piazzole,
la situazione peggiora con quei componenti che hanno griglie irregolari e
grosse aree di ground, dove necessita
ritornare alla tradizionale attenzione e
precisione di piazzamento.
Confrontando il package LGA col
classico BGA emergono i seguenti
benefici:
- viene eliminato il rischio di ricevere componenti a cui manchino
alcune sfere o che queste possano
essere danneggiate;
- lo stand-off è minore mancando le
ball, questo consente un più ampio margine operativo nell’adottare soluzioni di dissipazione termica (heat sink), ma è anche un’ottima soluzione quando lo spazio nel
dispositivo finale è ridotto;
- la connessione è semplificata, dando una maggiore affidabilità nei
confronti del risultato ottenuto
al termine del processo di assemblaggio;
- la durata e l’affidabilità meccanica del package LGA è superiore a
quella del BGA che normalmente
non è sottoposto all’underfilling;
- i componenti LGA possono essere utilizzati sia nei processi in cui
si usano leghe contenenti piombo
che in processi con leghe LF; sottostanno inoltre alle stesse regole
di assemblaggio dei BGA.
Il componente deve comunque essere gestito in accordo con le migliori
procedure ESD e MSD per evitare di
causare problemi sia durante le comuni operazioni di handling che in fase
di rifusione.
Dentro e fuori
dal package
Fisicamente la struttura è comunemente costituita da un substrato organico su cui è presente il pattern circuitale. Il semiconduttore è montato sul
substrato con cui è connesso con tecnologia flip chip o wire bonding.
Il substrato può ospitare anche
componenti passivi come resistenze,
capacità, induttanze e filtri. Il tutto
è poi incapsulato con l’operazione di
molding (ad esempio in resina epossidica) per fornire al semiconduttore
la necessaria protezione meccanica e
ambientale.
Il coefficiente di espansione termica del substrato del componente è di
circa 16 ppm/°C e risulta molto prossimo a quello dei pcb che normalmente spazia da 16 a 22 ppm/°C.
Il CTE della resina di incapsulamento è intorno ai 9 ppm/°C mentre
il suo Tg si aggira sui 150 °C.
Le interconnessioni a livello di
scheda sono realizzate con giunti di
32
PCB
giugno 2011
saldatura generati dall’applicazione
della pasta saldante sui pad del pcb,
in corrispondenza dei quali si trovano
poi le piazzole del componente LGA.
Il risultato è quello di un basso profilo di stand-off, approssimativamente
compreso tra 0,06 e 0,1 mm, in funzione del volume depositato in fase di
serigrafia.
La finitura delle piazzole sul componente è di 0,1 μm e fino a 0,9 μm
di rivestimento d’oro electroless sopra
nickel electroless.
Al primo livello d’interconnessione
(die to package), nel caso che si utilizzi la tecnologia flip chip lo spessore del rivestimento dei pad in oro arriva al massimo a 0,15 μm per passare
a valori compresi tra 0,5 e 0,9 μm con
la connessione wire bonding.
Le piazzole del package, quelle per
la connessione di secondo livello, hanno geometria rotonda, rettangolare o
quadrata.
Note di processo
Lo stess che affligge i giunti di saldatura è influenzato dalle dimensioni degli spessori del package e del pcb.
La raccomandazione dei costruttori
di LGA è che lo spessore del pcb sia
come minimo di 1 mm, valore al di
sotto del quale aumenta notevolmente lo stress dei giunti.
Nella pratica è stato notato che la
presenza di micro-via non riempiti tanto sul pcb quanto sul package
generano void nei giunti di saldatura.
A livello di progettazione è bene tener presente che buoni risultati si ottengono quando il rapporto tra
le piazzole del package e quelle del
pcb rispettano la proporzione di 1:1.
Non sembra, ai fini del processo di assemblaggio, così imperativa la scelta di una regolare per la deposizione del solder mask, che dipende dagli spazi disponibili o piuttosto è demandata alle aspettative di affidabilità del prodotto.
L’utilizzo delle piazzole Solder
Mask Defined (SMD) è consigliata
quando l’affidabilità meccanica della piazzola concorre a salvaguardare il
bene da cadute o colpi accidentali.
Piazzole
Non-Solder
Mask
Defined (NSMD) sono adatte nel caso in cui i giunti siano sottoposti ad
affaticamento, dovuto per esempio a
cicli termici; in questo caso si aumenta l’affidabilità delle saldature. L’area
saldabile può essere indifferentemente rivestita con le comuni finiture superficiali tipo OSP, NiAu, etc.
Il basso profilo di stand-off richiede che sia utilizzata una pasta noclean, appunto per evitare il lavaggio
che potrebbe rivelarsi non efficace.
In ogni caso al termine del processo di rifusione, del flussante non deve rimanere residuo, questo potrebbe voler dire un tempo di rifusione
più lungo o una temperatura di picco
più vicina al limite superiore della finestra di processo di quanto non sia
normalmente.
Presenza e ammontare di eventuali residui di flussante possono essere
rilevati solamente con la rimozione
meccanica del componente LGA. Nel
controllo e messa a punto del processo di rifusione potrebbe essere di aiuto eseguire delle sezioni del componente che metterebbero a fuoco non
solo l’eventuale presenza di residui,
ma soprattutto la geometria dei giunti di saldatura.
▶ speciale - Tecnologie di packaging
Quad flatpack no lead
Quad flatpack no lead (QFN) e Small Outline No lead (SON o DFN:
Dual side No Lead) sono package leadless le cui connessioni elettriche
di I/O sono costituite da piazzole disposte perimetralmente
sul lato bottom del componente
di Dario Gozzi
La struttura
Q
FN e SON sono dispositivi in package plastico
con caratteristiche di dissipazione termica particolarmente
buone. Utilizzando la convenzionale
tecnologia del leadframe in rame; la
loro caratteristica costruttiva li rende
competitivi rispetto ai tradizionali
componenti a pin, per il minor spazio
richiesto sul pcb, per le migliori caratteristiche elettriche e di dissipazione
termica e non ultimo sotto il profilo
del costo.
Il QFN ha le terminazioni disposte lungo i quattro lati del package, il SON (o DFN) le ha distribuite
34
PCB
giugno 2011
lungo due lati. Possiedono una piazzola di maggiori dimensioni (die
pad) il cui compito è quello di convogliare sul pcb il calore da dissipare.
Il valore medio dell’impedenza termica di questa famiglia di componenti è circa la metà rispetto ai normali
componenti provvisti di pin, prerogativa che li rende particolarmente adatti per le applicazioni ad alta potenza e
ad alta frequenza (20–25 GHz). Sono
disponibili in numerosi formati, che
dipendono sostanzialmente dalla dimensione del die e dal numero degli I/O.
Il lead frame è realizzato in rame,
con l’adesivo vi si fissa il die che con
tecnologia wire bonding (filo in oro
dal diametro di 1 o 2 mil) è collegato
elettricamente ai terminali di I/O del
componente.
Ci sono principalmente due tecniche per produrli: punch singulation
e saw singulation.
Nel primo caso sono singolarizzati
da una sequenza lineare di dispositivi
e nel secondo da una matrice.
Al lato pratico la maggiore differenza che si può avere tra due package
risiede nell’esposizione dei terminali,
che possono essere liberi solo sulla superficie bottom del componente o essere esposti anche per lo spessore lungo i fianchi del componente.
Pro e contro
Tra i benefici funzionali offerti da
questo package c’è la riduzione del
fattore induttivo, la già citata dissipazione termica e il miglioramento
delle caratteristiche elettriche delle
interconnessioni. Strutturalmente occupa un’area ridotta e gode di un sottile profilo e di un bassissimo peso.
Di contro alcuni plus costituiscono anche una difficoltà per quanto
riguarda il processo di assemblaggio.
La differenza tra la piccola area dei
contatti e la più grande dimensione
della piazzola termica, nei componenti di piccola dimensione come ad esempio per i DFN 3x3 mm, può provocare il galleggiamento del pad termico durante la rifusione e terminare
con la mancanza di contatto sui pad
di I/O a fine ciclo di saldatura. Per via
delle buone caratteristiche di conduzione termica di questo package diventa difficile la sua rilavorazione; il flusso di aria calda può non essere sufficiente a rifondere la lega sottostante
il thermal pad, ma può benissimo
causare problemi all’intorno del componente. Non c’è spazio per la punta del saldatore per lavorare sulle aree
di contatto, se non nel caso in cui ci
sia l’esposizione della piazzola sul fianco del componente, ma comunque
il giunto non sarebbe affidabile.
La geometria
del solder mask
Uno dei fattori principali da considerare nel loro utilizzo è costituito dalla geometria delle piazzole sul
pcb. Premesso che a livello di processo sottostanno alle normali pratiche di serigrafia e rifusione utilizzate
comunemente nei processi SMT, la
bontà della tenuta meccanica e della
dissipazione termica è in funzione dei
giunti di saldatura realizzati.
Ci sono due tipi di geometria per
le piazzole:
- Solder Mask Defined (SMD) in
cui le aperture nel solder mask sono più piccole delle piazzole;
- Non-Solder
Masl
Defined
(NSMD) in cui le aperture nel
solder mask sono di dimensione
maggiore rispetto alle piazzole.
Sebbene ci sia chi propende per la
prima e chi per la seconda, di massima
sono ambedue accettate per l’utilizzo
dei QFN. Tendenzialmente la soluzione NSMD è preferita in quanto la
definizione del rame è più controllabile rispetto a quella del solder; inoltre
in questo caso il solder mask favorisce
il contenimento del deposito di pasta
all’interno della sua apertura. Ultimo,
ma non meno importante, durante la
rifusione la lega ha modo di ancorarsi
anche sui bordi della piazzola, fattore
che, ampliando l’area di bagnabilità,
irrobustisce ulteriormente il giunto di
saldatura.
La soluzione SMD è invece utilizzata senza problemi sul thermal land,
la piazzola di maggiori dimensioni
adibita alla trasmissione del calore.
Nella geometria NSMD le aperture
nel solder mask dovrebbero essere da
120 a 150 µm maggiori rispetto alla
dimensione della piazzola, designando da 60 a 75 µm di libertà tra la fine
del primo e l’inizio della seconda.
Il problema si pone con i componenti fine pitch. Nel caso di piazzole
da 0,25 mm con passo 0,4 mm, diventa difficile non solo mantenere uno
spazio tra solder e piazzola, ma addirittura inserire del solder mask di isolamento tra una piazzola e l’altra. In
questo caso si utilizza una singola apertura che abbraccia l’intera sequenza
di pin su ogni lato.
Serigrafia e giunti
di saldatura
La prima considerazione riguarda la planarità del pcb, che va attentamente tenuta sotto controllo perché potrebbe inficiare sulla formazione dei giunti sotto il QFN. I giunti
di rifusione perimetrali al componente dovrebbero avere un’altezza compresa tra 50 e 75 µm e la loro corretta
realizzazione è demandata alla buona
costruzione dello stecil.
Per passi di 0,5mm lo spessore dello stecil dovrebbe essere di 0,125 mm
e le aperture dovrebbero essere in rapporto 1:1 con la dimensione delle piazzole. Scendendo con la dimensione
del passo (ad esempio con passo 0,4
mm) le aperture devono essere leggermente ridotte per evitare la formazione dei corti.
È consigliato l’utilizzo di pasta saldante no-clean di tipo 3 e dove possibile l’atmosfera inerte o il processo
con vapor phase.
Per questi giunti di saldatura la normativa non richiede particolari forme
del filetto, ma solo il rispetto delle dimensioni di lunghezza, larghezza e
dello spessore. Per la loro posizione
e per la loro conformazione, questi giunti non sono facilmente ispezionabili se non col ricorso all’ispezione
con raggi x.
PCB
giugno 2011
35
▶ Tecnologie - Ricerca avanzata
Soluzioni
alternative
Potenziali processi “low cost” in alternativa
all’utilizzo del palladio come agente attivante
nel processo di deposizione di rame electroless
di L. Brandt, C. Jakob, L. Stam e D. Steinhäuser
I
l processo di deposizione del rame
electroless in fori passanti rappresenta il passaggio più critico e
importante nella finitura del circuito stampato. Le soluzioni basate su
processi convenzionali contengono
formaldeide come agente riducente
standard. A causa della natura tossica
della formaldeide si rende necessario
l’utilizzo di un agente riducente a
minor impatto ambientale che offra
nello stesso tempo una maggiore sicu-
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PCB
giugno 2011
rezza operativa. Molti composti con
caratterristiche riducenti sono stati
proposti quali possibili sostituti della
formaldeide; tra questi di particolare
interesse, come si evince dalla letteratura specifica, sembra essere l’acido
gliossilico in virtù della sua relativa
sicurezza d’utilizzo.
Un cambio dell’agente riducente può portare però ad un peggioramento nel rendimento del processo di
attivazione, in quanto nessun metallo
mostra buone caratterristiche catalizzanti durante l’ossidazione di tutti i
possibili agenti riducenti coinvolti nel
processo di deposizione electroless.
In generale, i substrati vengono
abitualmente catalizzati mediante assorbimento di palladio prima della finitura electroless.
Nel presente articolo misure elettrochimiche sono state condotte allo
scopo di ottenere informazioni circa
l’attività catalitica del rame, dell’argento, del nickel e del palladio durante la reazione di ossidazione sia
della formaldeide che dell’acidio
gliossilico.
La voltammetria ciclica offre a tal
riguardo un ottimo strumento per la
caratterizzazione della minore o maggiore attività catalitica dei suddetti
metalli durante il processo ossidativo
delle specie riducenti in esame.
Metalli a maggior attività catalitica
risultano ideali per una più effettiva
attivazione del processo di finitura in
rame electroless. Misure elettrochimiche hanno evidenziato come il palladio, tra tutti i metalli esaminati, non
mostri la maggiore attività catalitica, il
che rende lecito la ricerca di soluzioni
economicamente più vantaggiose.
Introduzione
La finitura in rame electroless su
substrati polimerici è uno dei processi chiave nella produzione di schede
circuitali stampate. Il bagno standard
per la deposizione di rame electroless
è un processo stabile e autocatalitico che utilizza la formaldeide come
agente riducente. Poiché la
formaldeide è una sostanza
cancerogena volatile, nuove
soluzioni, come ad esempio
l’acido gliossilico [3, 5], sono
oggetto di studio e ricerca.
Una modifica dell’agente
riducente potrebbe altresì richiedere una modifica del processo di attivazione.
In generale il pre-trattamento del substrato che precede il processo di finitura
in rame electroless basato
sull’uso di formaldeide utilizza un catalizzatore in palladio.
Quest’ultimo non necessariamente rappresenta la migliore
soluzione nei riguardi di tutti i
possibili agenti riducenti.
Durante il processo di deposizione di rame electroless Fig. 1 - “Volcano plot” per la reazione di sviluppo
riveste un’importanza prima- di idrogeno
ria quale combinazione tra catalizzatore e agente riducente risulti
L’attività catalitica del metallo ha
efficace per la reazione di riduzione
un inpatto sull’ossidazione delle spedegli ioni rameici Cu+2 a rame metalcie riducenti e, di conseguenza, sulla
deposizione dello strato di rame eleclico Cu0.
troless.
Il catalizzatore attivo dovrebbe esL’adeguamento del process di
sere idealmente un metallo prezioso
attivazione alla natura e proprità
in modo da prevenire effetti di passidell’agente riducente é di primaria
vazione. Il catalizzatore agisce infatti
importanza per una resa ottimale delnel senso del trasferimento di eletla reazioni ossidative che hanno luogo
troni dall’agente riducente agli ioni
sul substrato cataliticamente attivato.
rame.
Scopo del presente articolo è stato
Per un sistema di attivazione efficaquello di caratterizzare e determinace vengono richiesti sia la capacità di
re l’attività catalitica di vari metalli
trasferimento degli elettroni che l’abinell’ossidazione delle specie riducenti
lità nell’assorbimento dei reagenti.
presenti nel bagno. I risultati conseIl trasferimento di elettroni
guiti dagli esperimenti effettuati posdall’agente riducente agli ioni rame
sono offrire un ottimo strumento per
deve avvenire sulla superficie, altrilo sviluppo e l’ottimizzazione dei promenti la deposizione del rame non ha
cessi di attivazione durante la deposiluogo. Diversi metalli possono agire
zione di rame electroless.
come catalizzatori/attivatori nel proAl fine delle misurazioni, sono stati
cesso di deposizione del rame electropresi in esame la formaldeide e l’acido
less. In ogni caso, la scelta dell’attivagliossilico, il primo come agente stantore dovrebbe sempre essere effettuata
dard di riduzione, il secondo come
in relazione all’agente riducente utiagente riducente alternativo.
lizzato.
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PCB
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Aspetti catalitici
Dal punto di vista della catalizzazione, la reazione critica
per la deposizione electroless è
l’ossidazione dell’agente riducente sul materiale di base catalizzato. Durante il processo
di ossidazione i colloidi attivi
vengono assorbiti sulla superficie del substrato e agiscono
come catalizzatori. Essi funzionano garantendo un percorso di reazione alternativo a
bassa energia di attivazione.
Nelle fasi iniziali del processo di deposizione il catalizzatore funge da sito anodico, sul quale il riducente può
venire assorbito ed ossidato.
Gli elettroni rilasciati a seguito dellàossidazione del riducente si muovono attraverso
il metallo e permettono la riduzione degli ioni rame. Le particelle
catalitiche agiscono dunque come sistemi per il trasferimento di elettroni
dall’agente riducente agli ioni metallo.
Struttura e composizione del catalizzatore possono dunque influenzare il
grado di deposizione e la cineticha di
reazione [1].
La funzione di un catalizzatore
eterogeneo è quella di assorbire il reagente o l’intermediario e di trasformarlo in una specie che possa più facilmente reagire nel modo desiderato;
In tal senso l’ossidazione dell’agente
riducente dipende dalla fase di attivazione.
La relazione tra ossidazione del riducente ed assorbimento catalitico
dell’attivatore viene descritta dai cosiddetti “Volcano plots” (vedi Fig. 1).
Nel diagramma “Volcano plots” rappresentato in Fig. 1 la densità di corrente di scambio j0 per la reazione di
sviluppo di idrogeno é riportata in funzione dell’energia di legame metalloidrogeno su differenti elettrodi.
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Il diagramma in Fig.1 indica quale
metallo assicura una migliore attività catalitica in relazione alla reazione
del reagente. La deposizione di rame electroless richiede l’ossidazione
dell’agente riducente sul catalizzatore
affinché gli elettroni rilasciati possano essere utilizzati nella riduzione del
rame.
La sperimentazione
Fig. 2 - Curve di polarizzazione dell’acido gliossilico su differenti metalli
Il grado di reversibilità delle reazioni chimiche rappresentate aumenta
all’aumentare della corrente di scambio.
Inoltre l’intensità dell’energia dei legami metallo-idrogeno può influenzare il
grado di reazione. Se tale livello energetico è molto basso il grado di assorbimento sarà molto basso; l’entità del
legame tra le molecole assorbite e la superficie cataliticamente attiva risulterà
quindi debole. All’aumentare dell’energia di legame le specie assorbite subiscono una modifica e vengono attivate.
L’assorbimento superficiale si avvicina così alla saturazione. Se l’energia di legame diviene troppo alta le
specie assorbite aderiscono alla superficie avvelenandola; quindi il grado di
reazione non é una funzione lineare
dell’energia di assorbimento.
L’energia di assorbimento deve essere sufficiente per attrarre il reagente
verso la superficie ma, nel contempo,
di entità non eccessiva affinché il prodotto di reazione possa essere desorbito nella soluzione. Il miglior catalizzatore è quello che garantisce un
aumento intermedio del valore energetico di assorbimento: in questo modo ha luogo una rilevante attività catalitica del metallo insieme ad un’alta
densità di corrente di scambio.
Fig. 3 - Curve di polarizzazione della formaldeide su differenti metalli
40
PCB
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Il processo di attivazione basato
sull’utilizzo del palladio quale catalizzatore costituisce lo stato dell’arte nei
bagni di rame electroless contenenti
formaldeide.
Allo scopo di vautare l’attività catalitica dei vari metalli, l’ossidazione degli agenti riducenti è oggetto di studio
tramite tecniche elettrochimiche particolari. In tal modo si rende possibile
valutare, ad esempio, se il palladio sia
il catalizzatore ideale per l’ossidazione della formaldeide e quali metalli
possano presentare efficienti caratteristiche catalizzanti per l’ossidazione
dell’acido gliossilico.
Metalli come il rame (Cu), il nickel
(Ni), l’argento (Ag) ed il palladio (Pd)
sono materiali idonei come elettrodi.
Ogni metallo presenta una sua specifica attività catalitica in relazione
all’ossidazione dell’agente riducente
presente nel bagno di rame.
La reazione di ossidazione delle
specie riducenti - formaldeide e acido
gliossilico - è stata esaminata per mezzo della voltammetria ciclica (CV).
La voltammetria ciclica rappresenta
un tipo di misurazione elettrochimica
potenziodinamica. Si tratta di un metodo diagnostico atto a determinare
grado e meccanismo di una reazione
chimica inplicante una fase di trasferimento elettronico.
Il risultato delle misurazioni viene
espresso sotto forma di curve potenziale-corrente dell’agente riducente
(voltammogrammi ciclici).
Gli esperimenti sono stati
condotti in una cella elettrochimica a tre elettrodi, di cui
l’elettrodo di lavoro è costituito da metalli come il Cu, l’Ag,
il Ni e il Pd, l’elettrodo ausiliario dal Pd mentre l’elettrodo di
riferimento da Ag/AgCl. Tutti
gli esperimenti sono stati eseguiti in atmosfera protettiva di
azoto a temperatura ambiente.
Le curve corrente/potenziale
sono state registrate a 5 mV/s
e 50 mV/s (scan rate) grazie
all’utilizzo di un potenziostato del tipo Autolab PG Stat 30
(Eco Chemie). La concentrazione della soluzione dell’agente riducente è stata fissata a
0,3 mol/l e il pH delle soluzioni è stato tamponato a 13,0
con idrossido di sodio.
Fig. 4 - “Volcano plot”: valori di corrente
di ossidazione di HCHO
Risultati e discussioni
Curve voltammetriche sono state registrate per la reazione anodica
delle soluzioni di formaldeide ed acido gliossilico su diversi metalli (vedi
Figg. 2 e 3). Tali curve di polarizzazione indicano un differente grado di
ossidazione dei due agenti riducenti
su ogni elettrodo.
La massima ossidazione dell’agente
riducente può essere messa in relazione alla massima densità di corrente j
registrata. L’ossidazione dell’acido
gliossilico sull’elettrodo di Ag è avvenuta ad una massima densità di
corrente di 0,008 A/cm2, mentre l’ossidazione della formaldeide, sempre
su tale elettrodo, a 0,016 A/cm2; ne
consegue che la densità di corrente
durante l’ossidazione della formaldeide risulta il doppio rispetto a quella
dell’acido gliossilico in identiche condizioni di test.
Inoltre si può notare come entrambi gli agenti riducenti reagiscano in
maniera differente sui vari metalli e
42
PCB
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come il valore di densità di corrente
decresca nel seguente ordine:
Ag, Cu, Pd, Ni (per l’acido gliossilico)
e
Ag, Pd, Cu, Ni (per la formaldeide).
In letteratura esiste un numero rilevante di dati circa l’attività elettroca-
talitica dei vari metalli durante
l’ossidazione della formaldeide
(vedi Fig. 4 e 5) [5].
Esiste una correlazione fra
le attività catalitiche riportate nel diagramma “Volcano
plot” e quelle derivanti dalle
curve di polarizzazione. Nel
diagramma “Volcano plot” di
Fig. 4, il valore normalizzato
del picco di corrente durante
ossidazione della formaldeide
è riportato in funzione dell’entalpia di formazione del sale
metallico dell’acido formico
(formiato).
L’argento e il palladio risultano essere i migliori catalizzatori per l’alta densità
di corrente di scambio e per
l’elevata cinetica del processo
di assorbimento. Metalli con
tali caratteristiche si collocano nella parte superiore del
diagramma “Volcano plot”. Il rame e
il nickel si trovano invece nella parte inferiore del diagramma esibendo una bassa densità di corrente ed
un’alta entalpia di assorbimento.
Durante l’ossidazione della formaldeide viene formato il formiato
metallico come prodotto di reazione
intermedio, il quale viene fortemente
Fig. 5 - Attività catalitica di vari metalli per l’ossidazione di differenti riducenti
(misure di potenziale a 10-4 A/cm²)
Linea sensori
Linee automatiche
per la produzione
di sensori, circuiti
microelettronici,
solar cell.
Carico automatico,
serigrafica con
allineamento ottico,
ispezione post-print,
forno, scarico
automatico.
Linea laser
Linea Xcel
Lasers
per il trimming,
marking e taglio.
Serigrafiche
Cella di lavoro per
dispensazione,
ink-jet, spraying,
assemblaggi,
ispezione ottica,
conformal coating
e altre applicazioni
custom.
Fino a 5 assi,
movimentazione
veloce, ripetibilità < 5
microns.
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assorbito sulla superficie del rame o
del nickel e non può essere desorbito.
Il risultato è una inibizione della superficie catalitica nei confronti dell’ulteriore ossidazione della formaldeide.
L’analisi del diagramma “Volcano
plot” mostra lo stesso ordine di metalli evinto dai voltagrammi ciclici per
l’ossidazione della formaldeide, e cioè
nell’ordine decrescente: argento, palladio, rame e nickel.
Nella scelta di un sistema di attivazione ideale per la deposizione del
rame electroless devono essere tenute
in considerazione densità di corrente
estremamente basse. La reazione di
ossidazione dell’agente riducente sulla superficie catalitica non procede al
massimo picco di corrente bensì nei
pressi del potenziale misto.
Il potenziale misto, determinato da
due curve di polarizzazione associate
rispettivamente ai processi anodici e
catodici, può essere associato a basse
densità di corrente, quali ad esempio
j = 10-4 A/cm2.
Nel campo delle basse densità di
corrente l’ordine dei metalli cataliticamente attivi può cambiare rispetto
all’ordine che considera il massimo
picco di densità di corrente. Questo è
il motivo per cui la reazione che determina il grado di reazione complessivo può essere differente.
Nella letteratura [5] il comportamento di polarizzazione di un certo
numero di agenti riducenti su una varietà di elettrodi solidi è stato oggetto
di studio.
La Fig. 5 mostra i potenziali di vari
metalli durante l’ossidazione di diverse
specie riducenti ad una densità di corrente constante di 10-4 A/cm2. I potenziali sono messi in relazione al potenziale Er di ossidoriduzione standard di
ogni agente riducente. Er ha un valore
molto negativo, spesso più negativo del
potenziale misto. L’attività catalitica
aumenta in genere passando da valori
di potenziale alti a valori bassi.
44
PCB
giugno 2011
Fig. 6 - Curva di polarizzazione forma aldeide
Di conseguenza, un metallo possiede
una maggiore attività catalitica quanto
più il valore del suo potenziale si avvicina al valore di Er. Considerando la
termodinamica del processo di deposizione del rame, esso viene favorito da
valori negativi di potenziale.
Come si può notare in Fig. 5, il rame, a basse densità di corrente, è il più
attivo nel catalitzzare l’ossidazione
della formaldeide, seguito dall’argento,
dal palladio e dal nickel. Quest’ordine
è diverso da quello stabilito in base
al diagramma “volcano plot” che ri-
guarda le alte densità di corrente. Dal
punto di vista elettrochimico il rame
dovrebbe essere un eccellente attivatore per il suo potenziale negativo, il
quale si avvicina al valore dell’Er della
formaldeide.
Per poter paragonare l’attività catalitica dei metalli secondo l’ordine trovato
in letteratura (Fig. 5) con quella sperimentalmente determinata nel presente
lavoro tramite i voltammogrammi ciclici, i potenziali devono essere considerati alla medesima densità di corrente di j = 10-4 A/cm2 (vedi Fig. 6).
Fig. 7 - Curva di polarizzazione dell’acido gliossilico
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Trovaci su
Tabella 1 - Ordine delle attività catalitiche a diverse densità
di corrente
Letteratura (teoria)
Curve di polarizzazione (dati sperimentali)
formaldeide
formaldeide
acido gliossilico
jmax
Ag, Pd, Cu, Ni
Ag, Pd, Cu, Ni
Ag, Cu Pd, Ni
jlow
Cu, Ag, Pd, Ni
Cu, Ag, Pd, Ni
Cu, Ni, Ag, Pd
Relativamente all’ossidazione della
formaldeide, a basse densità di corrente l’ordine dei metalli osservato nei
voltammogrammi è identico a quello descritto nella letteratura: il rame
possiede la maggiore attività catalitica
seguito da argento, palladio e nickel.
Il potenziale del rame è più prossimo
al livello del potenziale redox della
formaldeide, così come già descritto
in letteratura. Ciò significa che il rame è un potenziale catalizzatore per la
deposizione del rame electroless.
A dispetto delle aspettative il palladio
non mostra un’alta attività catalizzante,
così come sarebbe da aspettarsi da un
buon attivatore durante la deposizione
di rame electroless in bagni contenenti
formaldeide come agente riducente. La
stessa procedura di analisi dei voltammogrammi ciclici è stata eseguita per il
meno diffuso acido gliossilico.
Note
[1] Lee, “Synthesis of Highly Active Ag/Pd
Nanorings for Activating Electroless Cu
Deposition”, in Journal of the Electronic
Society, 156, (9), 2009.
[2] Holze, Leitfaden der Elektrochemie,
Teubner, 1998.
[3] Christensen, Techniques and Mechanisms
in Electrochemistry, Blackhie Acad., 1994.
[4] Bard, Electrochemical Methods, 1980.
[5] Mallory, Electroless Plating, 1985.
[6] Inoue, “Evaluation of Tin-Copper Mixed
Catalyst for Replacement of Tin-Palladium
Mixed Catalyst for Electroless Plating”, in
Surface Technologies, Vol. 59 (9), 2008.
46
PCB
giugno 2011
A basse densità di corrente, l’ordine delle attività catalitiche dei metalli
è praticamente lo stesso di quello per
l’ossidazione della formaldeide: rame,
nickel, argento e palladio (vedi Fig. 7;
Tabella 1). A densità di corrente di j
= 10-4 A/cm2 il valore del potenziale
per l’ossidazione dell’acido gliossilico
sul rame è in assoluto il più negativo. Ciò indica che il rame è il metallo
più attivo nell’ossidazione catalitica
dell’acido gliossilico.
Così come per le soluzioni di rame
electroless basate sull’uso di formaldeide, il rame è anche un potenziale
catalizzatore per le soluzioni basate sull’uso di acido gliossilico, e ciò a
causa della sua alta attività catalitica.
Il nickel e l’argento lo seguono a
distanza ravvicinata. Sulla base delle prove effettuate e dei dati raccolti
il palladio presenta l’attività catalitica più bassa. In ogni caso il valore di potenziale di -0,48 V misurato
sull’electrodo di riferimento Ag/AgCl
nel momento in cui ha inizio l’ossidazione dell’acido gliossilico sull’elettrodo di palladio, può essere considerato
ancora accettabile per una buona attivazione. Anche l’esperienza pratica
dimostra come l’attività del palladio
sia abbastanza alta per la deposizione del rame electroless in bagni contenenti acido gliossilico come agente
riducente.
Conclusioni
La ciclovoltammetria costituisce
un metodo appropriato nella determinazione dell’attività catalitica dei
metalli nei confronti della reazione
di ossidazione di diversi agenti riducenti. I dati disponibili in letteratura sull’ossidazione della formaldeide
possono essere facilmente riprodotti
tramite la misura delle curve di polarizzazione. Applicando questa procedura d’analisi ad agenti riducenti non
propiamente convenzionali, quali, ad
esempio, l’acido gliossilico, è possibile determinare l’attività catalitica di
vari metalli per l’ossidazione di agenti riducenti differenti.
Il presente studio dimostra come
ulteriori miglioramenti nei processi
di deposizione di rame electroless
possano essere resi possibili con una
procedura di attivazione alternativa
al palladio che possieda una più alta
attività catalitica. L’attività catalitica
del rame, dell’argento od anche del
nickel in presenza di acido gliossilico utilizzato come agente riducente
è più alta di quella del palladio; pertanto questi materiali sono da considerare, almeno dal punto di vista
elettrochimico, potenziali catalizzatori per la deposizione del rame
electroless.
Nell’ottica della valutazione devono
comunque essere considerati diversi
aspetti. Un attivatore a base di rame
presenta scarse performance a causa
di fenomeni di ossidazione ed instabilità. Nella pratica, ad oggi, sistemi
d’attivazione a base di rame non hanno trovato particolare riscontro tecnico e commerciale [6].
Sebbene il palladio non sia cataliticamente il metallo più attivo, al momento rappresenta la scelta universale
ed obbligata come catalizzatore per
la fase di iniziazione del processo di
deposizione del rame electroless, e ciò
per la sua resistenza alla dissoluzione
e all’ossidazione. In ogni caso molto
lavoro di ricerca e sviluppo deve essere
ancora effettuato al fine di stabilire un
nuovo sistema attivante come alternativa al palladio.
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▶ Progettazione - Proprietà Intellettuale, dall’idea allo sviluppo
Pianificazione
topologica di dettaglio
Continua la
seconda parte
del lungo white
paper dedicato
alla tecnologia
sviluppata per
poter combinare
l’intelligenza di un
progettista di pcb
con un sistema di
sbroglio automatico
di Dean Wiltshire, Mentor Graphics
A
bbiamo osservato come
avvenga anzitutto una prima pianificazione intorno ai
componenti già disposti. Successivamente, questo stadio di pianificazione
può richiedere un livello di intervento
più minuzioso, al fine di assicurare le
priorità necessarie per altri segnali.
L’esempio mostrato in Fig. 8 si riferisce ad una pianificazione già condotta successivamente alla disposizione
dei componenti. Per questo bus, è
necessario pianificare nel dettaglio i
percorsi di diciassette bit, il cui flusso è strutturato secondo uno schema
abbastanza ordinato.
Per pianificare questo bus, il progettista del pcb tiene in considerazione
l’ostacolo presente, le regole dei diversi
48
PCB
giugno 2011
seconda e ultima parte
strati e tutti gli altri vincoli significativi.
Sulla base di questi input, egli decide di
pianificare la seguente soluzione topologica, illustrata in Fig. 9.
Nella Fig. 9, l’area di dettaglio “1”
specifica la pianificazione definita
per raccogliere, sullo strato superiore
“rosso”, i segnali dai piedini del componente e convogliarli sul percorso topologico illustrato nel dettaglio “2”. Ciò
viene effettuato mediante un’area ”non
impacchettata” per la quale viene però
imposto uno sbroglio complanare, che
utilizzi solo lo strato 1. Questa scelta,
che può sembrare ovvia in questa situazione di progetto, imporrà all’algoritmo
di sbroglio di utilizzare lo strato superficiale per connettere al percorso topologico rosso.
Tuttavia, in altre situazioni, la presenza di ostacoli potrebbe suggerire di
imporre all’algoritmo differenti vincoli
di uso degli strati per procedere allo
sbroglio di una particolare sezione di
bus. Dopo aver riunito le tracce in un
percorso a pacchetto sullo strato 1, il
progettista pianifica (v. dettaglio “3”)
una transizione verso lo strato 3, sul
quale far coprire al bus il lungo percorso
per attraversare il pcb. Si può notare
come questo percorso topologico sullo
strato 3 sia più largo di quello sullo
strato superiore – viene infatti tenuto
debito conto dello maggiori esigenze di
spazio necessarie per controllare l’impedenza. Inoltre, il progetto ha anche
identificato l’esatta posizione dei passaggi di strato – le 17 via.
Il percorso topologico scende quindi
lungo il lato destro della Fig. 9, dopodiché, in corrispondenza del dettaglio “4”,
si rendono necessarie numerose giunzioni a T, ciascuna di un singolo bit, per
estrarre dal percorso principale le connessioni verso i diversi piedini del componente. Il progettista in questo caso ha
preferito mantenere la maggior parte
del flusso di connessione sullo strato 3,
operando man mano delle fughe verso
altri strati per le connessioni ai pin del
componente. Per fare ciò, ha disegnato
un’area topologica in cui sono indicate
le connessioni che abbandonano il percorso principale per lo strato 4 (rosa), sul
quale vengono effettuate le giunzioni a
T dei singoli bit verso lo strato 2, dal
quale infine tramite ulteriori via vanno
a connettersi ai piedini del dispositivo.
Successivamente il percorso topologico continua, sempre sullo strato 3,
fino all’area del dettaglio “5”, utilizzata
per collegarsi al componente attivo.
Queste connessioni, dopo aver raggiunto i piedini del dispositivo, proseguono fino a delle resistenze di pulldown disposte appena sotto al componente. Il progettista utilizza un’altra area
topologica per specificare le connessioni
dallo strato 3 allo strato 1, sul quale
giacciono i pin sia del dispositivo attivo
che delle resistenze di pull-down.
Per effettuare la pianificazione di
dettaglio appena descritta sono necessari circa 30 secondi. Dopo aver acquisito il piano corrispondente, il progettista può procedere immediatamente con
il suo sbroglio, oppure può scegliere di
continuare con la creazione di ulteriori
panificazioni topologiche e successivamente effettuare lo sbroglio automatico
di tutti i piani in un’unica passata.
L’esecuzione dello sbroglio automatico di questo piano impiega meno
di 10 secondi. Tuttavia questa velocità
non sarebbe affatto significativa, ed
anzi rappresenterebbe solo uno spreco
di tempo, se i risultati non fossero di
buona qualità, ovvero non rispec-
Fig. 8 - Le net line di questo bus
derivano da una pianificazione
topologica di priorità superiore,
subordinata alla disposizione dei
componenti. Per disporre di questo
bus verrà quindi creato un piano
topologico che non comporti modifiche
nella posizione dei componenti
chiassero pienamente l’intento del progettista. Lo verificheremo mediante le
figure seguenti, che illustrano i risultati
dell’attività di sbroglio automatico.
Routing Topologico
Partendo da sinistra, si può verificare
come tutte le connessioni create a partire dai pin del componente rispettino
l’intento espresso dal progettista, rimanendo sullo strato 1 e raggruppandosi
in una struttura compatta di bus a pacchetto, come mostrato nella Fig. 10,
dettagli “1” e “2”. Il dettaglio “3” mostra
invece come è stata realizzata la transizione dallo strato 1 allo strato 3, utilizzando una disposizione compatta ed
efficiente delle via.
Come già evidenziato, le problematiche di impedenza sono state evitate realizzando tracce più larghe e maggiormente separate, chiaramente distinguibili grazie alla visualizzazione dei percorsi con le loro larghezze reali.
In Fig. 11, il dettaglio “4” mostra
come il percorso topologico si allarghi
laddove è necessario realizzare delle via
per poter effettuare le giunzioni a T
dei singoli bit. Anche in questo caso il
piano è stato implementato nel rispetto
dell’intento del progettista, con le giunzioni a T di singoli bit che escono dal
flusso principale saltando dallo strato 3
allo strato 4. Inoltre, si può anche notare
Fig. 9 - Il risultato della pianificazione
del bus
come sullo strato 3 le tracce rimangano
il più compatte possibile, riavvicinandosi rapidamente subito dopo essersi
aperte per aggirare una via.
La Fig. 12, infine, mostra il risultato
dello sbroglio automatico per il dettaglio “5”. Le connessioni al componente
attivo richiedono una transizione dallo
strato 3 allo strato 1. Le via sono state
disposte ben allineate al di sopra dei pin
del componente, mentre sullo strato 1 le
tracce si connettono prima ai piedini del
componente per poi proseguire fino alle
resistenze di pull-down.
Riepilogando, in questo esempio è
stato pianificato in dettaglio il percorso
di 17 bit per connettere 4 distinte tipologie di componenti, nel rispetto dell’intento del progettista in termini di strati
e di flusso. Il tutto è stato definito in
circa 30 secondi e seguito da uno sbroglio automatico di elevata qualità, per
l’esecuzione del quale sono stati necessari 10 ulteriori secondi.
Elevando il livello di astrazione dalla
disposizione delle tracce alla pianificazione topologica, il tempo totale di realizzazione delle interconnessioni è stato
drasticamente ridotto, ma non solo:
ancor prima che venga avviata la disposizione delle interconnessioni, c’è già
una chiara e reale comprensione delle
densità in gioco e delle probabilità di
realizzazione del progetto. Forti di questa consapevolezza, è lecito chiedersi:
PCB
giugno 2011
49
Fig. 10 - Il risultato dello sbroglio topologico, con i dettagli 1,
2 e 3 spiegati di seguito
perché continuare a disporre le tracce
in questa fase del progetto? Perché non
continuare invece a pianificare i percorsi,
e risolvere le tracce più avanti, dopo aver
completato una pianificazione topologica completa? Se si considera l’esempio appena descritto, l’astrazione della
pianificazione consente di lavorare con
un singolo piano invece che con 17 net
distinte, ognuna composta di numerosi
segmenti e svariate via.
Valorizzare la IP
(Intellectual Property) della
pianificazione topologica
Oggi, quindi, i progettisti riescono a
individuare, mettere a punto e catturare,
formalizzandoli, i principali schemi di
disposizione dei componenti e le principali topologie delle strutture di bus.
Possono determinare che tali tipologie
di bus rispettano i criteri per applicazioni a elevata velocità, utilizzano
gli strati nel modo corretto, hanno le
dimensioni fisiche che ne permettano il
routing, ecc. Il piano che le definisce fa
ora parte del database di progetto, sotto
forma di IP acquisita. Abbiamo dunque
ora l’opportunità di trarre pieno vantaggio dalla velocità di un router auto-
Fig. 11 - Il risultato dello sbroglio topologico, con il dettaglio
4 spiegato di seguito
matico, e sollevare il progettista da una
parte tediosa del proprio lavoro, lasciandogli quindi più tempo da dedicare ad
attività maggiormente creative.
Mentor Graphics ha implementato la seconda parte di questo processo mediante un router topologico,
denominato per l’appunto Topology
Router, capace di seguire le direttive del
piano acquisito, realizzando comunque
lo sbroglio con la velocità di un router
automatico. La Fig. 13b mostra il risultato dell’attività del Topology Router
nello sbroglio di un piano acquisito
mediante il Topology Planner (Fig. 13a).
Sia il piano che l’effettivo sbroglio vengono memorizzati, sotto forma di PI,
all’interno del database di progetto.
Il famigerato ECO
Immaginiamo ora di aver terminato
il nostro pcb, perfettamente funzionante: inevitabilmente, ecco che arriva
il temuto ECO (Engineering Change
Order), la modifica di progetto. Ma ora,
siccome sia il piano topologico che lo
sbroglio effettivo sono memorizzati nel
database di progetto, il progettista può
semplicemente cancellare il bus modificato, correggere il piano e rieseguire lo
Fig. 12 - Il
risultato
dello sbroglio
topologico,
con il dettaglio
5 spiegato
di seguito
50
PCB
giugno 2011
sbroglio automatico del bus ritoccato.
Viene quindi completamente eliminata la necessità di “ritracciare” manualmente il bus, con un prezioso risparmio
di tempo nel ciclo di sviluppo e con un
netto miglioramento della produttività
del progettista. Consideriamo ad esempio il caso di un progetto contenente
un FPGA il cui pin-out non sia stato
ancora finalizzato. L’ingegnere progettista ha comunicato questo impedimento ai progettisti del pcb ma, a causa
dei comuni vincoli di tempo per le scadenze ravvicinate, questi ultimi hanno la
necessità di sviluppare comunque il progetto il più possibile, anche prima della
finalizzazione del pin-out dell’FPGA.
Intanto che l’ingegnere progettista
procede al completamento del proprio
piano, i progettisti del pcb, lavorando
sulla scorta della piedinatura non definitiva già nota, iniziano comunque
a pianificare la gestione dello spazio
intorno all’FPGA, ponendo particolare attenzione alle vie di fuga dagli altri
componenti verso l’FPGA.
Il piano iniziale prevedeva che l’IO
fosse disposto lungo il lato destro
dell’FPGA, ma nella soluzione definitiva esso è invece posizionato sul lato
sinistro. Il pin-out si è quindi rivelato
completamente diverso da quanto inizialmente pianificato. Tuttavia, lavorando ad un livello superiore di astrazione, il progettista ha potuto evitare il
costo legato allo spostamento manuale,
una per una, di tutte le altre tracce che
correvano in prossimità dell’FGPA,
per far posto alle necessarie modifiche
locali. Ha potuto invece modificare i
percorsi topologici nel loro insieme.
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Tuttavia, l’impatto della modifica
non ricade solo intorno all’FPGA; il
nuovo pin-out produce un effetto anche
sulle vie di accesso ai singoli piedini del
componente stesso. Per riuscire a ridisporre il ventaglio di tracce complanari
che fanno confluire i segnali verso il bus,
è stato necessario spostare anche l’estremità del percorso topologico; diversamente, si sarebbe reso indispensabile
un accavallamento di alcune tracce, con
uno spreco di prezioso spazio su un pcb
piuttosto denso. L’inversione dei bit
avrebbe richiesto dello spazio addizionale per delle tracce ed alcune via, una
esigenza complicata da soddisfare nelle
fasi finali del progetto. Se i tempi stringono, il lavoro necessario per apportare
le dovute correzioni a tutte le tracce
coinvolte potrebbe essere inaccettabile.
In sostanza: lavorando ad un livello
di astrazione superiore, come permesso
dalla pianificazione topologica, è molto
più semplice gestire e soddisfare gli
onnipresenti ECO. Un algoritmo di
sbroglio automatico pensato per seguire
l’intento del progettista sa inoltre privilegiare la qualità del risultato rispetto
alla quantità. Se viene identificato un
problema qualitativo, piuttosto che creare uno sbroglio di qualità scadente, è
meglio fallire una delle connessioni.
Questo per due motivi. Anzitutto,
perché è più semplice trovare una soluzione manuale per riallacciare una sin-
gola connessione fallita piuttosto che
ripulire numerosi percorsi di bassa
qualità di tracce generate dallo sbroglio automatico. In secondo luogo,
perché così viene comunque rispettato l’intento del progettista, rappresentato soprattutto dalla qualità della
connessione da esso stabilita. Non va
comunque negato che queste considerazioni sono valide fintantoché la
ricongiunzione delle tracce fallite è
ragionevolmente semplice e localizzata.
Un buon esempio è rappresentato da
uno sbroglio che non riesce a raggiungere il 100% di connessione del piano.
Piuttosto che forzare il risultato, sacrificandone la qualità, è meglio lasciare
parzialmente insoddisfatto il piano, tollerando una traccia non connessa. In tal
modo, tutte le tracce saranno instradate
nel rispetto del piano, anche se non tutte
in modo completo fino al piedino del
componente. Ciò però garantirà la presenza di sufficiente spazio residuo per
aggiustare la connessione fallita e per
farlo in modo ragionevolmente semplice.
L’intelligenza del progettista
e la velocità del routing
automatico
La progettazione dei bus di un
pcb “alla vecchia maniera”, vale a dire
mediante un piano di sintesi disegnato su un pezzo di carta, seguito da
Fig. 13a - Esempio di un piano topologico completo
per un pcb
52
PCB
giugno 2011
un minuzioso tracciamento manuale
delle singole interconnessioni, è un processo spesso lungo e tedioso. Mentor
Graphics offre ora una nuova tecnologia in grado di combinare l’intelligenza
di un progettista esperto con la velocità
di un sistema automatico di sbroglio,
migliorando così significativamente
sia la produttività del progettista che i
tempi del ciclo di sviluppo.
Lo strumento Topology Planner
consente al progettista di acquisire le
strutture e le topologie dei bus, assicurando nel contempo che il piano generato sarà sbrogliabile e che soddisferà,
nelle lunghezze e nei ritardi, i vincoli
di qualità dei segnali. Il piano entra a
far parte del database di progetto sotto
forma di PI, per poter essere corretto ed
utilizzato nelle fasi successive. Lo strumento Topology Router implementa
le direttive contenute nel piano con la
velocità tipica di un router automatico,
producendo risultati di elevata qualità e
sollevando il progettista da un compito
lungo e tedioso. Alla fine, ne risultano sia
un processo molto più efficiente che una
significativa quantità di tempo risparmiato per i progettisti, i quali potranno
dedicarlo alla soluzione di altre sfide più
impegnative, che richiedono tutta la loro
sofisticata esperienza.
Mentor Graphics
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Fig. 13b - In tempi dell’ordine dei minuti, il Topology Router
può sbrogliare automaticamente le relative strutture di bus,
nel rispetto del piano topologico
▶ Produzione - Miglioramento della gestione
L’automazione
dei processi
Nella moderna visione industriale
l’automazione è insieme un obiettivo e un
risultato. Attraverso l’automazione si mira a
raggiungere contemporaneamente tanto il
miglioramento nella gestione di fabbrica quanto
il miglioramento continuo dei processi produttivi
di Piero Bianchi
D
ecidere di automatizzare e
dove automatizzare non è
facile. Per ottenere dei risultati validi è necessario analizzare il
prima parte
problema sotto i diversi aspetti tecnici, economici e logistici. Il principale
obiettivo - nell’introduzione dei processi automatizzati - risiede, secondo
Per eseguire lavorazioni in automatico i sistemi che compongono le linee devono
spesso essere equipaggiati con un elevato numero di utensili
54
PCB
giugno 2011
l’opinione comune, nella riduzione del
costo diretto della manodopera, nel
raggiungimento e mantenimento di
elevati standard qualitativi e nell’aumento della produttività.
Il termine automazione è usato
per identificare un insieme di fasi di
processo che conducono alla realizzazione di un dispositivo col minimo contributo dell’intervento umano. In questo contesto rientra anche l’utilizzo di programmi che mirano alla gestione computerizzata
dell’intero ciclo produttivo, capaci
di migliorarne l’efficienza e la redditività.
La crescita e la diffusione dell’automazione è stata possibile anche grazie
alla crescita delle tecniche informatiche sviluppate a sostegno delle decisioni e al diffondersi dei sistemi di comunicazione. Si pensi ad esempio ai
vari settori della vita pubblica e privata: dalla fabbrica agli uffici, l’automazione si è poi estesa alle abitazioni attraverso la domotica.
Ogni azienda opera ormai, che lo
voglia o meno, in un mercato allargato che richiede risposte in tempo reale; un mercato analitico che sembra
lasciare sempre meno spazio al fiuto e
all’inventiva imprenditoriale.
L’impiego delle tecnologie informatiche e di processo comporta un
ripensamento della struttura organizzativa e di conseguenza un cambiamento negli schemi mentali, in
direzione di una maggiore semplificazione che trova il suo apice attuale nella fabbrica snella (lean manufacturing).
Dal CAD agli strumenti
di knowledge performance
Per capire il perché dell’automazione vanno fatte alcune considerazioni. La tecnologia elettronica, indipendentemente dalle crisi attraversate, non ha mai cessato il suo trend
di crescita; al costante miglioramento
delle prestazioni corrisponde la continua ascesa nella complessità dei componenti e dei circuiti.
In Europa l’era delle produzioni
di massa si è praticamente spenta lasciando spazio a un modo di produrre che assomiglia al “just in time”, ma
che in realtà, almeno in Italia, è solo un caotico “subito, bene e possibilmente che non costi nulla”. La caduta
delle frontiere e il ridimensionamento
delle distanze dovuto alla tecnologia
e le varie crisi economiche hanno accentuato la pressione competitiva riducendo drasticamente i margini di
contribuzione.
Come conseguenza la necessità di
automazione, nella sua accezione più
ampia, consiglia i costruttori di sfruttare maggiormente le potenzialità degli strumenti CAD/ CAM e di knowledge performance. Strumenti sempre
più potenti, capaci sia di accorciare i
tempi di progetto sia di ridisegnare i
processi di produttivi, nella ricerca di
soluzioni che consentano di ritagliare
quei margini che la tradizionale concezione produttiva non consente più.
Se è relativamente facile scegliere e acquistare una nuova linea di assemblaggio dei pcb, lo è meno la valutazione di un pacchetto di strumenti software con cui controllare e gestire le informazioni e i processi aziendali. La stesura di un piano strategico, propedeutico a ogni investimento, deve essere il risultato di una serie di valutazioni interne che tengano conto della forza di competitività propria dell’impresa, della scelta
di cosa realizzare all’interno e cosa in
outsourcing, di cosa automatizzare e
con quali obiettivi, del grado di integrazione dei processi e dell’eventuale
loro sviluppo nel tempo, espresso come fattore di scalability.
La voce “riduzione dei costi” deve
costituire la costante di ogni progetto, così come quella di “aumento della competitività”; sono obiettivi perseguibili mediante il costante miglioramento qualitativo del prodotto realizzato, la riduzione del time-to-market
e l’ottimizzazione di ogni fase dei processi presenti in azienda.
L’organizzazione che sovrintende i
processi aziendali dovrà essere ripensata nella sua interezza per consentire
di raggiungere agevolmente gli obiettivi che stanno alla base della trasformazione desiderata, inclusi i criteri di
valutazione degli investimenti.
In un sistema di mercato aperto in
cui la sopravvivenza dell’azienda è dipendente dalla sua capacità di reperire il capitale per poterlo reinvestire
L’aumento di efficienza come
leva sulla redditività
Disporre di strumenti per la gestione della produzione di facile e immediato utilizzo, arricchisce le capacità operative e costituisce un sicuro
vantaggio in termini di competizione.
Molte aziende elettroniche che gravitano nel panorama delle PMI sono
caratterizzate da una gestione orientata a lavorare per ordine cliente o per
commessa, modo di operare che richiede un elevato grado di flessibilità, presupposto indispensabile per saper rispondere alle singole richieste di
ogni cliente.
La gestione basata su un sistema di
tipo MRP risulta insufficiente e obsoleta, perché si limita alla individuazione dei materiali nella quantità e nei
tempi necessari alla produzione. La
sua evoluzione in MRP II allarga gli
orizzonti al cosa fare, al come e quando farlo. Si tratta di modelli razionali
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PCB
giugno 2011
Cortesia: Euro Circuiti
e accrescere, la valutazione deve basarsi sul valore attualizzato dei flussi
di cassa e sul tasso di redditività degli investimenti. Operazione possibile e consolidata per gli investimenti tradizionali, ma meno quantificabile nel caso di investimenti in tool software di manufacturing e controllo,
dove la tangibilità dei vantaggi è meno palpabile nel medio e breve periodo. La valutazione deve quindi assumere ampiezza e forme diverse, funzionalmente all’importanza strategica dell’investimento. I risultati ipotizzati saranno però raggiungibili solo a
condizione che ci sia un elevato livello di partecipazione da parte di manager e staff. Adeguamento a cui potrebbe corrisponde un appiattimento
della struttura gerarchica e un aumento delle mansioni interfunzionali; trasformazione che richiede ovviamente un sensibile investimento in formazione.
Le linee di produzione, benchè altamente automatizzate, possono essere
configurate in isole di lavoro che lavorano in cascata su di un singolo codice o in
parallelo su più codici contemporaneamente
del processo produttivo, strumenti di
pianificazione e di sostegno alle decisioni gestionali; strumenti che comunque non sempre si prestano a essere applicati operativamente a causa
delle difficoltà di ricondurre la complessità di un sistema produttivo a un
più semplice modello quantitativo.
Tra i limiti che condizionano
l’MRP c’è la difficoltà di modificare il
piano di produzione una volta lanciato, la necessità di mantenere un livello medio-alto delle scorte di sicurezza e la difficoltà di gestione al crescere dei livelli di complessità dell’assemblaggio.
Un’azienda che lavora per commessa, deve poter modificare gli ordini di produzione in corso a fronte
di modifiche richieste dal cliente, sincronizzare i tempi delle proprie attività con quelle del cliente, senza penalizzare la programmazione di tutte le altre risorse. Queste caratteristiche richiedono la capacità di configurare le linee per una produzione snella (lean manufacturing) e di effettuare
acquisti direttamente collegati all’ordine cliente.
Oggi per soddisfare in un’ottica di
efficienza e di redditività le esigenze delle aziende elettroniche serve
un sistema capace di coordinare e ottimizzare l’utilizzo di tutte le risorse
aziendali, sincronizzando le attività
interne con quelle esterne, gli acquisti con le vendite e la logistica, la progettazione con la produzione e il magazzino. L’obiettivo prioritario è quello di ridurre le inefficienze e gli sprechi, massimizzando di conseguenza la
produttività.
A sostegno di queste esigenze intervengono le soluzioni ERP, capaci di dare una totale visibilità sugli
eventi che si verificano in produzione; questo significa avere visibilità per
ogni loro aspetto economico, per valutarne in tempo reale la ricaduta finanziaria sull’azienda.
ERP e flusso decisionale
L’ERP si colloca nello scenario organizzativo dell’azienda con l’obiettivo del miglioramento continuo dei
processi e dei prodotti. Il concetto di
miglioramento di un processo produttivo parte dal presupposto che il processo stesso sia misurabile ed esprimibile numericamente; in seguito a determinati interventi correttivi la nuova misura deve esprimere un miglioramento rispetto a quella precedente.
Se ben utilizzato il sistema ERP
è uno strumento capace di enfatizzare il valore delle risorse, sia umane che strumentali. Le risorse umane
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il depaneling senza contatto,
accessibile a tutti
Il taglio Laser basato sull’innovativa
Tecnologia Laser Cut Osai è capace di
eseguire separazioni pulite e sicure,
senza formazione di polveri e senza
stress meccanici sui componenti
elettronici.
L’utilizzo del processo di Laser
depaneling rappresenta il metodo
migliore per ottenere un taglio veloce
(riduce fino al 70% i tempi di separazione
rispetto ai metodi tradizionali) e flessibile
(capace di separare tagliando i testimoni o
in pieno i PCB fino a 3 mm di spessore per la
versione base).
RISoluzIonE dI caSI pRatIcI
Problema : C onnettore S otto al teStimone
S oluzione: Pre -taglio l aSer del teStimone
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Problema : F orme di PCb PartiColari
S oluzione: S emPliCe Piano di taglio
generata, ricalcolandola ogniqualvolta
intervenga un cambiamento significativo. La pianificazione della produzione viene costantemente aggiornata e rielaborata in funzione dello stato della commessa, della disponibilità
delle risorse e dei componenti.
I dati di produzione sono raccolti e gestiti da ogni reparto (SMT,
PTH, test, etc) o linea di assemblaggio in modo autonomo e in tempo reale. L’invio automatico dei dati avviene da postazioni presidiate dall’operatore mediante terminali in rete, così come direttamente dalle macchine
di produzione. Gli operatori o i reparti hanno un proprio codice identificativo, allo stesso modo di ogni singola
fase di lavorazione o di ogni prodotto
in esecuzione ( o commessa).
La procedura consente la piena
tracciabilità nei confronti delle singole schede di ogni lotto, permettendo
di conseguenza la misura dettagliata dei tempi di realizzazione, quantificandone l’efficienza. Inoltre è possibile associare a ogni centro di lavorazione un costo orario e verificare, mediante i dati raccolti, la corrispondenza col target desiderato per evidenziare il grado di reale redditività.
Un punto di forza dei sistemi ERP
è la centralizzazione del controllo, che
Cortesia: EL.MA.
in particolare non sono più viste come pura forza lavoro, ma come un patrimonio reale al pari dei beni tangibili. Conoscenza e competenza, pur
non essendo valori inseribili in bilancio, costituiscono la cultura aziendale
senza la quale le pick and place o forni
possono fare ben poco, anche se di ultima generazione. Le capacità produttive del sistema azienda dipendono in
larga misura dalle prestazioni del personale che sono valutabili e misurabili. Per sua natura un sistema ERP si
presta come strumento di autovalutazione, stimolando la formazione e la
creatività.
Un ERP, finalizzato a migliorare la
produttività nell’assemblaggio dei pcb
e controllarne i costi, è costituito da
numerosi moduli, semplici da utilizzare per via delle interfacce grafiche,
che permettono all’operatore di elaborare le scelte sulla base di un ampio
spettro di dati e informazioni disponibili in tempo reale.
È possibile controllare tutte le varie fasi che intervengono nel ciclo di
trasformazione del prodotto, a partire
dalla gestione del Bill Of Material alla
movimentazioni dei materiali e all’inventario. Si conosce lo stato di avanzamento di una commessa, la quantità di schede prodotte e la redditività
Particolare di una cella di lavoro dove coesistono differenti livelli di automazione
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può avvenire anche lontano dall’ambiente di produzione. Tramite password è consentito l’accesso diretto
da parte del cliente per la verifica dello stato di avanzamento della propria
commessa. L’analisi delle informazioni elaborate dal sistema in termini di
tempi e costi evidenzia in modo chiaro e preciso le variazioni delle singole
fasi rispetto ai dati di preventivo.
Questo strumento software si rivela quindi polivalente; può esistere autonomamente o essere complementare ad altri pacchetti (es CAD/CAM)
con cui dialogare proficuamente, semplificando la comunicazione ed evitando la gestione di dati tra di loro ridondanti. La capacità di raccogliere
automaticamente e in piena autonomia i dati elimina una grossa quantità
di documentazione cartacea e di lavoro di inserimento a computer.
Rientra nella normalità della gestione che un’azienda si ponga degli
obiettivi (strano sarebbe il non farlo)
cui seguono azioni che mirano a realizzarli. I risultati ottenuti in prima
battuta difficilmente coincideranno
al 100% con l’obiettivo, diventa allora necessario analizzare i risultati per
poter attuare azioni più incisive. Più è
veloce l’acquisizione e l’analisi dei dati e prima si arriva al risultato desiderato. Misurare in tempo reale le prestazioni delle soluzioni tecnologiche
adottate permette di conoscere tempestivamente il loro razionale apporto
e quindi il grado di risposta alle aspettative che hanno condotto all’acquisto. Di prassi ogni azienda traccia delle linee guida precise che le consentano un miglioramento continuo del
proprio livello qualitativo; possedere
uno strumento che faciliti la raccolta
e l’interpretazione delle informazioni,
permette di velocizzare qualsiasi processo di miglioramento, abbattendo i
costi della non qualità.
Fine prima parte
▶ PRODUZIONE - SOLUZIONI ANTISTATICHE
Meno problemi
con più ESD
L’elettrostatica è un tema che, a dispetto
delle sue possibili pesanti ripercussioni, è ancora
piuttosto sottovalutato nella considerazione
di molte aziende EMS e OEM. Oggi più
di ieri, con la presenza sempre più massiccia
di componenti sensibili, serve sicuramente
una maggiore consapevolezza in materia di ESD
di Dario Gozzi
Guanti
antistatici per la
manipolazione
dei pcb
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PCB
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L’
elettricità statica si crea per
la presenza di un eccesso o di
una carenza di elettroni sulla
superficie di un corpo.
Questo fenomeno prende il nome
di effetto triboelettrico e consiste nel
trasferimento di cariche elettriche – e
quindi nella generazione di una tensione potenziale – tra due superfici
che vengono separate. Il termine deriva dal greco tribos, che significa “strofinio”. La polarità e l’intensità della carica dipendono sicuramente dal
materiale costituente i corpi, ma anche dalle caratteristiche delle superfici a contatto, dalla loro ampiezza, dalla pressione di contatto e dall’intensità dello sfregamento, dalle condizioni
ambientali (umidità relativa) e dalla
rapidità con cui si allontanano le superfici prima a contatto.
La condizione di normalità di un
corpo si ha quando le cariche positive bilanciano quelle negative, ovvero
quando è elettrostaticamente neutro.
L’eccesso di elettroni produce una
carica negativa, il loro difetto una carica positiva. L’avvicinamento di due
corpi caricati inversamente crea un
campo elettrico che provoca la nascita
di una corrente di scarica tendente a
ripristinare la neutralità elettrica.
A parità di condizioni, l’umidità relativa svolge un ruolo determinante
perché la quantità di cariche accumulate è sempre inversamente proporzionale al valore di umidità relativa
presente nel momento in cui si scatena il fenomeno. L’influenza dell’umidità relativa sul fenomeno si spiega
con la tendenza igroscopica di molti
materiali; la conducibilità dell’acqua concorre infatti ad alterare la resistenza superficiale dei corpi, evidenziando quindi comportamenti diversi.
Il corpo umano avverte il fenomeno quando si supera la soglia di
2-3000 Volt, al di sotto di questo valore di tensione l’evento è registrabile solo per via strumentale; si possono
comunque raggiungere tensioni di diverse decine di migliaia di volt.
I danni che possono essere prodotti
si suddividono in catastrofici e danni
latenti o degradazioni parziali. Il primo porta alla rottura definitiva e immediata del componente e lo si rileva già coi test elettrici durante o a fine
produzione. Il secondo danneggia in
modo irreversibile, ma non definitivo,
il componente; un guasto latente è un
danneggiamento subdolo che manifesta i suoi effetti nel tempo (quando
il prodotto è già arrivato sul mercato)
riducendone l’affidabilità. In entrambi i casi il fenomeno provoca un danno, ma in presenza di un guasto latente i costi diretti (intervento di riparazione) e indiretti (perdita di immagine) aumentano notevolmente.
Suddivisione dei materiali
in base alla resistenza
superficiale
Quando la carica è generata, la sua
distribuzione non sempre è uniforme, dipende dalla resistenza superficiale del materiale. I materiali si dividono in conduttivi, statico-dissipativi e isolanti.
I materiali isolanti, con resistenza
superficiale superiore a 1012, evidenziano una distribuzione di carica non
omogenea; anche se collegati a terra
mantengono la loro carica per ore.
La condizione di neutralità si può
raggiungere impiegando dei sistemi
di protezione attiva come gli apparati ionizzanti, in questo caso i tempi
Braccialetto per la connessione a terra
dell’operatore
si accorciano considerevolmente,
con un decadimento dell’ordine di
10-20 secondi.
I materiali conduttivi, come dice
il nome stesso, favoriscono una veloce dissipazione delle cariche elettriche verso terra; la loro resistenza superficiale è inferiore a 105 ohm, ed è
il motivo del tempo di dissipazione
delle cariche troppo veloce. Agli effetti del fenomeno ESD si considerano i materiali con resistenza superficiale compresa tra 104 e 105 ohm,
sono impiegati negli imballi secondari e per allestire postazioni di lavoro.
Si sconsiglia il diretto contatto con i
dispositivi da proteggere, in particolare se sono presenti componenti di alimentazione come le batterie.
Nel mezzo, con valori di resistenza superficiale che variano nel range
da 105 a 1012 ohm, ci sono i materiali definiti statico-dissipativi. Possono
essere impiegati per la protezione
ESD senza ulteriori e particolari accorgimenti se non
l’opportuna connessione
verso terra. Sono i più
utilizzati nella protezione contro 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 e un
massimo di 1010).
Un quarto stato è definito dai materiali “shielding” o schermanti. Sono
normalmente formati da almeno tre
strati, di cui quello intermedio di tipo metallico. Operano come gabbia di
Faraday con una resistenza superficiale inferiore a 103.
ESD Protected Area
L’area EPA è una zona protetta dalle cariche elettrostatiche tramite un’adeguata connessione verso terra di cose e persone presenti al suo interno e che provvede anche all’eliminazione delle cariche accumulate sui
materiali non conduttori. Da questo
deriva che Epa può essere tanto un
intero reparto quanto una singola postazione di lavoro.
Per l’allestimento servono poche,
ma precise regole. Come attrezzatura bisogna disporre di un tappeto da
Buste
antistatiche
Packaging ESD
PCB
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banco e uno da pavimento,
entrambi con la connessione verso terra, il bracciale,
la sedia, il camice e le scarpe. Dall’area, di cui va curata la pulizia, va tenuto
fuori tutto quello che le è
estraneo, come ad esempio
bottiglie e bicchieri di plastica, cibo e oggetti personali. Il comfort dell’operatore prevede che vestiario e
attrezzature ESD non afConseguenze di una scarica elettrostatica
fatichino o intralcino l’ordinaria operatività.
Il bracciale è l’elemento primario di
Necessità di igiene e di comfort
messa a terra dell’operatore e non può
hanno contribuito alla differenziaziomancare in un’area EPA. La banda è
ne delle calzature, dai classici zoccoli,
a diretto contatto col polso, deve assiai sandali, alle scarpe chiuse. Queste
curare conducibilità lungo tutta la sua
devono essere antiscivolo e devono
lunghezza; essendo indossato per ore
poter consentire la pulizia interna ed
deve essere confortevole e ipoallergiesterna con metodi e detergenti idoco, per evitare irritazioni cutanee. La
nei senza perdere le loro proprietà
parte esterna deve essere a bassa conelettriche.
ducibilità per evitare, nei contatti acI sovrascarpe sono l’alternativa ecocidentali con dispositivi alimentati su
nomica alle calzature, ma sono concui si sta lavorando, di metterli in corsiderati materiali di consumo e, coto verso terra. Il cavo a spirale di collemunque, devono sempre essere calzagamento a terra deve mantenere la sua
ti su entrambe i piedi per non perdecaratteristica elastica per evitare che,
re di efficacia.
rilassandosi, possa intralciare le opeCon la sedia, per un miglior renrazioni al banco, mentre l’attacco deve
dimento, l’operatore deve trovarsi a
facilitare le operazioni di inserzione.
suo agio, non solo come postura, ma
I camici e le casacche sono in puanche nella movimentazione dello
ro cotone o in misto con poliestere, reschienale e negli spostamenti. Il tessi conduttivi tramite una griglia intessuto deve essere robusto e facilitare
suta in fibra di carbonio. I camici di ulla pulizia. La messa a terra dovrebbe
tima generazione garantiscono anche la
avvenire attraverso tutte le ruote.
conduzione da manica a manica e, per
A parità di caratteristiche elettriparticolari esigenze di sicurezza, alcuni
che col tappeto da banco, quello da
modelli sono dotati di chiusura a scompavimento (in vinile, gomma o polieparsa. La leggerezza del tessuto influentilene) deve avere maggiori proprietà
za direttamente il comfort mentre il numeccaniche perché deve resistere almero di cicli di lavaggio (minimo 40 e
lo scorrimento della sedia e al tranmassimo 100, a secondo dei tessuti, esesito di eventuali carrelli senza frenarguita a 40 °C senza l’utilizzo di prodotti
li, deve possedere una buona planarità
con candeggina e ammorbidenti) a cui
avere uno spessore che sia il compropuò essere sottoposto il capo senza permesso tra resistenza meccanica (antidere le sue caratteristiche elettriche, ne
sdrucciolo) e sicurezza (evitare l’effetdecretano la durata.
to gradino).
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Per aree estese è richiesta la pavimentazione vera e propria, con
la posa della griglia conduttiva in rame.
Caratteristica richiesta a questi pavimenti è
non solo di dissipare le
cariche accumulate, ma
anche di ridurre la generazione delle cariche
triboelettriche conseguenti al calpestio da
parte degli operatori e
alla movimentazione di
sedie, carrelli e quant’altro.
I sistemi di ionizzazione
Come non è possibile eliminare
completamente i materiali con caratteristiche isolanti dall’area EPA,
così è anche difficile tenere sotto
controllo il tasso di umidità relativa come contributo ad abbassare il
rischio di formazione delle cariche
elettrostatiche.
L’alternativa è il ricorso ai sistemi di ionizzazione come aiuto a neutralizzare e a prevenire la formazione delle cariche elettrostatiche; il
loro utilizzo prende il nome di protezione attiva.
Tecnicamente si investe la postazione di lavoro con aria contenente
ioni positivi e ioni negativi, quando
questo flusso ionizzato entra in contatto con la superficie caricata, questa attrae gli ioni di carica opposta
neutralizzandosi elettricamente.
Sebbene siano disponibili sistemi
di protezione integrale per il controllo dell’intero ambiente, è più diffuso il ricorso all’utilizzo di ionizzatori
locali come i dispostivi da banco o le
barre ionizzanti.
La quantità di ozono emessa non
deve superare la soglia di 0,1 ppm e
il flusso d’aria non deve disturbare per
portata e temperatura l’operatore.
▶ PRODUZIONE - TECNOLOGIA VAPOR PHASE
Saldatura reflow
a condensazione
Il processo di saldatura a condensazione di
vapore, conosciuta anche come rifusione vapor
phase, offre ottimi risultati in termini di efficienza
e qualità. Se viene abbinato anche l’utilizzo
del vuoto si arriva all’eccellenza, eliminando i void
e le evaporazioni esplosive di flussante
Il processo in pratica
di Davide Oltolina
L
a continua ricerca del risultato
qualitativamente ineccepibile,
garanzia di un prodotto affidabile nel tempo, richiede un processo di
saldatura affidabile in ogni sua parte.
Rehm, rappresentata in Italia da DPI,
ha riversato la sua lunga esperienza nel
settore della saldatura a rifusione nella
nuova linea di forni vapor phase della
serie CondensoX.
Nella realizzazione della nuova linea
sono stati privilegiati vari fattori quali
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PCB
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Al centro della fase di progetto del
CondensoX sono stati pcb termicamente difficili da saldare, con componenti sensibili tanto alla temperatura
quanto all’umidità (MSD), con masse
termiche importanti posizionati accanto a componenti di piccola dimensione,
con componenti particolari quali QFN
e LGA o dispositivi MID (Molded
Interconnected Device).
quello relativo alla precisione del profilo
termico,mantenendo all’interno di +2 °C
la differenza di temperatura misurabile tra i punti disseminati sull’intera superficie del pcb. La ricerca del risultato
qualitativo trova la sua massima esasperazione con l’opzione del vuoto, che assicura la mancanza di void anche nelle saldatura con elevata massa termica,
pur nella semplicità di utilizzo e mantenendo quanto più bassi possibili i costi di gestione.
Utilizzando una camera a vuoto totalmente ermetica, con il Vacuum
System del forno Condenso è possibile
raggiungere il valore di vuoto di 2 mbar
durante il processo di riscaldamento,
e senza che avvenga movimentazione
delle schede durante il processo di saldatura, dal preriscaldo a tutto il processo
completo, fino al raffreddamento, il che
significa che non vi è alcun rischio di
scivolamento, rotazione o sollevamento dei componenti.
In aggiunta all’utilizzo del vuoto durante la fase di saldatura vera e propria
è possibile impostare una fase di prevacuum che ha il benefico scopo di
agevolare la fuoriuscita dei vapori di
flussante dai giunti in formazione e di
agevolare l’immissione del Galden nella
realizzazione del profilo termico.
Il forno Condenso utilizza inoltre un
sistema trasportatore orizzontale per
introdurre le schede all’interno del sistema, nella camera di rifusione dove verranno creati i vapori del liquido
tecnico, usualmente il Galden.
Avere la garanzia che le schede assemblate siano ferme durante il processo
Senza vuoto
Con vuoto
Superficie di contatto
a un massimo del 99%
Capacità di riempimento
migliorata di micro via
e di giunti THD
Limitazione dei void
(particolarmente importanti
negli assemblati
di potenza a semiconduttore)
Bagnabilità migliorata
Vantaggi della tecnologia di processo con vuoto
di rifusione, anche durante la fase di stato liquido della pasta saldante, assicura
un risultato qualitativamente indiscutibile. In questo Rehm si è voluta differenziare rispetto ai sistemi vapor phase tradizionali che richiedono un continuo movimento verticale delle schede durante l’esecuzione del profilo, introducendo un plus di processo.
Non movimentando il pcb tra la fase di saldatura e la creazione del vuoto,
non c’è perdita di calore, garantendo così tempi brevi di stato liquido in presenza di vuoto, tempi che ricadono all’interno degli 80 secondi per temperature
superiori ai 217 °C.
Come risaputo i vuoti sono cavità che
si creano all’interno del giunto di saldatura a causa dei gas che non riescono a
fuoriuscire, una loro cospicua presenza indebolisce meccanicamente il giunto ed ostacola la capacità di trasportare, per dissiparlo, il calore generato dal
componente.
Nei forni CondensoX il processo
di vacuum può essere attivato direttamente nel punto in cui viene raggiunta la temperatura desiderata; inoltre i livelli di vuoto possono essere controllati
in qualsiasi momento voluto, ritenuto il
più idoneo nel raggiungere le necessarie
condizioni operative capaci di evitare la
formazione sia dei void che delle evaporazioni esplosive del flussante.
Un’ulteriore variabile di processo
consiste nella quantità di liquido inerte
che viene vaporizzato durante la saldatura; modulando la quantità di Galden
immesso si controlla la rampa di salita
del profilo termico, che raggiunge come
valore massimo di temperatura quello
del punto di ebollizione del liquido prescelto. Questo è uno dei capisaldi della tecnologia vapor phase, che permette di mettere al riparo scheda e componenti da problemi di sovratemperatura.
L’operatore può regolare la temperatura del profilo di reflow con un livello eccezionalmente elevato di accuratezza, a
step di 0,2 °C/sec.
Quando il liquido raggiunge la sua
temperatura di ebollizione, vaporizza,
Questo porta a creare un ambiente in
cui i vapori di Galden occupano l’intero volume della camera di rifusione, eliminando l’aria e con questa l’ossigeno
presente, creano parallelamente la condizione di saldatura in atmosfera inerte. Quando il vapore avvolge il pcb gli si
condensa sopra per via della differenza
di temperatura esistente; durante il passaggio di stato dalla fase vapore alla fase
liquida viene ceduto calore, lo stesso che
porta in rifusione la pasta saldante.
Garanzie qualitative elevate
e costi di gestione moderati
Grazie al totale blocco ermetico della
camera di rifusione è effettuato in modo
efficiente il riciclo e la pulizia del liquido tecnico utilizzato in saldatura, con la
totale rimozione dei residui indesiderati
(flussante, impurità, ecc.). Quando il vapore è estratto dalla camera viene rapidamente raffreddato; una volta condensato è poi filtrato, imprigionando le impurità in appositi filtri, operazione che
rende il liquido pronto per essere riutilizzato nel successivo processo di saldatura. Le schede al termine del ciclo di
saldatura lasciano la camera di processo completamente asciutte perché il calore accumulato è sufficiente a far evaporare il Galden che è condensato sul
pcb, questo permette di realizzare un
consumo medio veramente basso, che si
traduce in un vantaggioso risparmio
economico gestione. Quando il pcb è
fuori dalla camera di rifusione è raffreddato da un getto d’aria, ma è possibile
scegliere di raffreddarlo ulteriormente
e uniformemente riducendo la temperatura dell’aria di raffreddamento mediante uno scambiatore ad acqua.
La funzione di rilevamento
wireless di temperatura consente
all’utente di controllare in continua
l’andamento del processo, per verificare in qualsiasi momento se il profilo termico è rimasto all’interno della specifica. Il CondensoX può essere equipaggiato anche con un sistema di telecamere, una funzionalità disponibile solo sui
forni vapor phase Rehm che consente
all’operatore di visualizzare il processo
di saldatura sul monitor del PC.
DPI
www.elettronicadpi.it
PCB
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▶ Produzione - Le basi del lavaggio
Il cleaning dei pcb
Continua con la serie dedicata a “Le basi del lavaggio”. Ci si occuperà
in questo articolo del lavaggio dei pcb, con particolare attenzione
per le normative e le problematiche generali che stanno alla base
di questo importante processo
di Fernando Rueda, di Kyzen BVBA
D
efiniremo il lavaggio di pcb
(assemblati) come la rimozione di residui di flussante rifuso dalle schede elettroniche
includendo, ma non limitandolo a,
pcb (supporto stampato), pcba (schede assemblate), ibridi, ceramici, ecc.
In ogni caso, non si dimentichi la
necessità di rimuovere particelle, polvere, impronte digitali, ecc., prima
dell’applicazione del conformal coating (finitura protettiva). Quindi, chi
ha bisogno di lavare i propri pcb? Si
ricordi, il non lavare significa lasciare
residui di flussante sul pcb e implica
“qualche” rischio, che certi fabbricanti
non possono permettersi di correre.
Chi sono questi ultimi? La normativa IPC J-STD-001E ci fornisce una
chiara guida:
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PCB
giugno 2011
prima parte
IPC J-STD-001E
Include prodotti in cui è critica la
continuità d’alta prestazione o di
prestazione a richiesta, non può
essere tollerato il mancato funzionamento dell’apparecchiatura, l’ambiente d’utilizzo finale può
essere molto severo e l’apparecchiatura deve funzionare quando
richiesto, come nei sistemi di supporto vitali o in altri casi critici.
(Fonte: IPC J-STD-001E-2010 (2010,
Aprile); IPC, Bannockburn, IL)
Classe 1: Prodotti elettronici in generale.
Include prodotti adatti per applicazioni dove il maggior requisito
è una funzione del gruppo completo.
Classe 2: Prodotti elettronici a servizio dedicato.
Include prodotti in cui è richiesta continuità di prestazione e di vita di servizio e per i
quali è gradito, ma non critico,
il funzionamento ininterrotto.
Normalmente l’ambiente d’utilizzo finale non dovrebbe provocare guasti.
Classe 3: Prodotti elettronici ad alte
prestazioni.
Prodotti di Classe 1 – Pur con
qualche rara eccezione, questi prodotti non vengono “mai” lavati. I requisiti
di prestazione e l’ambiente in cui essi funzionano non determinano generalmente il presentarsi di guasti entro
la vita potenziale di questi prodotti.
Prodotti di Classe 2 – Normalmente non viene richiesto il lavaggio per questi prodotti; oggigiorno,
in ogni caso, sempre più fabbricanti
ricorrono al cleaning. Perché? Oggi
i consumatori richiedono prestazioni più elevate, maggiore funzionalità e dispositivi più piccoli, che
forniscano un’affidabilità eccezionale.
I giorni dell’elettronica di consumo usa e getta sono in calo. Queste
schede più piccole e più dense hanno
distanze ridotte fra le piazzole di saldatura; se restano residui ionici sulla
superficie o sotto i componenti si ha
un aumento del “rischio” di incorrere in guasti.
Prodotti di Classe 3 – Questi prodotti hanno sempre richiesto un processo di cleaning.
I prodotti di Classe 3 hanno bisogno di funzionare con continuità e, in
molti casi, in ambienti estremi come
in presenza di temperature ambientali molto elevate e/o estremamente
rigide, richiesta di prestazioni elevatissime, ecc.
Riassumendo, i fabbricanti devono lavare i prodotti di Classe 3, oltre
a un crescente numero di prodotti di
Classe 2.
Ora che si è chiarito chi abbia la
necessità di effettuare il processo di
cleaning, è bene focalizzarsi su come valutare il processo di fabbricazione per progettare l’appropriato processo di lavaggio. Si cominci con due
domande chiave.
Quali parametri dobbiamo considerare?
Come facciamo ad essere certi che
il nostro processo di lavaggio sia quello appropriato per soddisfare le nostre
richieste?
Per trovare le risposte, dobbiamo
analizzare gli elementi chiave d’ogni
processo di lavaggio.
Tipi di sporco
Si ricordi: si è focalizzati sui residui di flussante, sebbene verranno pulite anche impronte digitali, particelle e altri detriti.
Lavare residui di flussante dalla superficie di un pcb un tempo poteva essere una sfida; oggi non è più un problema, visto che la maggioranza dei
processi di lavaggio standard effettua
un ottimo lavoro di rimozione dei residui dalla superficie.
I residui di flussante intrappolati sotto componenti a basso standoff
(cioè la distanza fra la base del componente e la superficie del pcb) e in
spazi ristretti rappresentano la sfida
maggiore per qualsiasi processo di lavaggio.
È possibile trovare materiali di lavaggio che presentino le proprietà fisiche e l’aggressività necessaria per lavare questi residui sotto spazi molto
ristretti? E ciò può essere fatto senza causare alcun danno collaterale? In
quest’economia molto competitiva,
è possibile effettuare tali processi in
modo economicamente efficiente?
Perché i residui da lavare sono un
elemento chiave nel processo di lavaggio pcb?
Questi sono i punti essenziali su
cui i fabbricanti di prodotti di lavaggio possono differenziarsi dai concorrenti. Ovviamente, non tutti i flussanti sono uguali. È altrettanto ovvio che
non tutte le schede passano attraverso gli stessi profili di rifusione o di
saldatura a onda. I residui di flussante
normalmente riscontrati sono:
Residui di flussante idrosolubili
Storicamente, i residui idrosolubili sono facili da lavare con acqua. Siccome le schede sono diventate sempre più piccole, questo compito diventa sempre più difficile
poiché l’acqua, a causa dell’elevata
tensione superficiale, non è in grado
di penetrare sotto gli spazi ristretti.
Inoltre, arrivano contemporaneamente le leghe lead-free.
Queste leghe richiedono temperature di rifusione più alte e tecnologia
di flussaggio più aggressiva; se il lavaggio in questi spazi ristretti era problematico prima, si immagini quanto
lo sia ora che i residui processi di baking molto più spinti.
Mentre questi tipi di residui sono sempre stati lavati, la differenza è
che l’acqua da sola spesso non è più
sufficiente.
Fig. 1 - Prodotti di Classe 1
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Fig. 2 - Residui
lavabili
di flussante
È necessaria una piccola percentuale di additivo o di agente di lavaggio per ridurre la tensione superficiale dell’acqua usata per lavare queste
schede, permettendo così la sua penetrazione sotto componenti a basso
standoff.
RA/RMA
(residui lavabili di flussante)
Questi tipi di residui non sono così comuni come lo erano una volta,
ma si possono ancora ritrovare nella fabbricazione di alcune schede di
vecchia generazione come ad esempio nei prodotti militari e aerospaziali. Fino all’arrivo delle leghe leadfree, non vi è stato molto sviluppo su
questi tipi di prodotto, poiché la maggior parte degli sforzi è stata focalizzata sulla tecnologia lead-free no-clean (cioè senza lavaggio). Questi tipi di
residui non presentano una vera sfida
per la maggior parte dei processi di lavaggio standard.
Residui di flussante no-clean
I materiali di saldatura no-clean sono ora quelli più comunemente usati. Questo è il tipo di residuo che la
maggior parte dei fabbricanti di prodotti di lavaggio usa per valutare come i loro prodotti si comporteranno
nel mercato.
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Questi materiali di saldatura sono
progettati per incapsulare qualsiasi residuo, quindi non richiedono un processo di lavaggio.
Naturalmente, la scelta di lavare
quei residui incapsulati può essere a
volte una sfida. Si aggiungano temperature più alte e una tecnologia di flussaggio più aggressiva come quella comunemente usata con materiali leadfree e si capirà quali sono i veri problemi che emergono in un processo di
cleaning. È possibile valutare in una
percentuale dell’80-90% gli operatori che sottopongono a lavaggio i residui di flussanti no-clean. Ma perché
lavare residui no-clean? Se l’incapsulamento di queste piccole quantità di
residui diventa compromettente possono infatti sorgere dei problemi.
In particolare, nella vita molto lunga di alcuni dispositivi di Classe 3, la
combinazione di residui ionici associata a fattori ambientali (umidità) e alla
tensione di polarizzazione (bias) presente su un circuito vivo creano una
situazione ideale per l’ECM (Electro
Chemical Migration – Migrazione
Elettrochimica) che causerà un guasto al circuito. Una comune scuola di
pensiero sostiene che il lavaggio prima dell’applicazione di conformal coating è anche una buona ragione per
lavare i residui no-clean.
Substrati
Le schede che vengono lavate sono anche un elemento chiave del processo stesso di lavaggio,
perché?
Qualità
Oggi è difficile ridurre il costo
dei materiali nella maggior parte
delle operazioni di fabbricazione.
Il maggior numero dei fornitori di materiali tende a produrre
pcb e componenti di alta quantità, ma vi sono casi in trovano delle soluzioni più convenienti oppure si effettuano scambi di materiale. Ciò dà luogo a componenti o a pcb che non soddisfano gli
standard qualitativi per sopportare le condizioni presenti nel processo di fabbricazione, incluso il
processo di lavaggio.
Questa scarsa qualità apparirà
come un problema di compatibilità, a causa del guasto inatteso.
Compatibilità
Anche quando gli standard di
alta qualità vengono soddisfatti,
vi sono sempre materiali che non
possono tollerare certe condizioni o certi prodotti chimici presenti in un processo di lavaggio standard; pertanto, il test di compatibilità è un obbligo in qualsiasi processo di lavaggio nuovo o
esistente.
Progetto del substrato
Anche il progetto del pcb svolge
un ruolo importante. Fattori quali
densità di componenti, standoff,
ombreggiatura, intrappolamento
di fluido, ecc. devono essere tenuti in seria considerazione.
Fine prima parte
www.kyzen.com
www.packtronic.it
Medical
Technology Event
le tecnologie elettroniche al servizio della salute
un evento unico rivolto alla “Medical Design Community”
organizzato da Selezione di Elettronica
e sviluppato in collaborazione con Farnell Italia
Il convegno
Una serie di interventi a cura di università, associazioni,
istituti di ricerca, società di analisi di mercato e Oem internazionali attivi nel settore elettromedicale, che tratteranno tematiche di elevato valore scientifico e tecnologico: le tendenze tecnologiche in atto nel medicale; le
certificazioni e gli standard del settore; i dispositivi per
il medicale e la direttiva Rohs; il ruolo dei Mems nei dispositivi indossabili; la realtà virtuale e la robotica per la
chirurgia; le tecnologie di identificazione e tracciabilità a
supporto del paziente, ecc.
I workshop
Una serie di workshop tecnici, a cura delle aziende fornitrici di dispositivi microelettronici e di sistemi elettronici per applicazioni medicali, dedicati alla presentazione
delle ultime tecnologie disponibili nell’ambito dei semiconduttori, della connessione, dell’alimentazione, della
visualizzazione, delle interfacce, ecc.
L’esposizione
Un’esposizione a cura delle aziende partecipanti in cui i
visitatori potranno confrontare l’offerta disponibile e verificare gli avanzamenti tecnologici. Saranno presentati casi applicativi reali nati dalla collaborazione tra le
aziende fornitrici di microelettronica e i principali Oem
attivi nel settore elettromedicale.
Le aree dimostrative
Il pubblico avrà la possibilità di accedere a sessioni dimostrative in cui sarà possibile “toccare con mano” gli
strumenti e le apparecchiature, effettuare prove pratiche sul campo e confrontarsi con gli specialisti sulle problematiche applicative dei sistemi medicali per uso domestico, delle soluzioni di medical imaging, della diagnostica, del monitoraggio e della terapia.
Il concorso
Nel corso della giornata saranno presentati e premiati
i migliori progetti proposti da studenti o aziende che
avranno partecipato precedentemente a un concorso
di progettazione di applicazioni medicali organizzato e
promosso da element-14, la comunità on-line di Farnell
dedicata agli Electronic Design Engineer.
I partecipanti
L’evento si rivolge alla “Medical Design Community” e
in particolare ai progettisti e ai tecnici elettronici impegnati nello sviluppo di applicazioni medicali, ma anche ai
responsabili delle tecnologie informative e mediche, ai
tecnici sanitari, agli uffici acquisti, ai direttori sanitari e a
tutti gli operatori interessati agli sviluppi delle tecnologie
elettroniche all’interno del mondo medicale.
Milano, Ottobre 2011
Luogo
Sala Bramante, Palazzo delle Stelline,
Corso Magenta 61 – Milano
Orario
09.00 – 17.00
Registrazione
http://www.formazione.ilsole24ore.com/
Servizio Clienti
Tel: 02/56601887
Fax: 02/70048601
[email protected]
La partecipazione al convegno,
alla mostra, ai workshop
e alle sessioni dimostrative è gratuita.
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23-05-2011 15:23:56
▶ Produzione - Prodotti
La tecnologia jet printing
e la lean manufacturing
Un nuovo concetto di deposizione della pasta saldante consente
di processare pcb complessi con la presenza simultanea di package SMD
tradizionali, QFN, PoP (package-on-package), componenti di potenza
e componenti tradizionali saldabili con la tecnologia pin-in-paste
di Dario Gozzi
L
a difficoltà di gestire all’unisono
package miniaturizzati e package di grosse dimensioni inseriti
in un contesto di schede complesse e
con crescente densità di componenti,
è facilmente intuibile per varie ragioni, ma in particolare se non si vuole
incorrere nei comuni problemi dovuti
alla serigrafia tradizionale.
La tecnologia serigrafica infatti
raggiunge i suoi limiti quando si tratta di gestire componenti distanti tra
loro solo poche centinaia di micron
e che richiedono depositi dai volumi
molto diversi.
La soluzione che consente di affrontare con maggiore disinvoltura
le problematiche di progettazione
senza pesanti ripercussioni sulle successive fasi di assemblaggio si chiama
MY500 JETPRINTER. Realizzata
da MYDATA, da anni brand indissolubilmente legato a Cabiotec, l’innovativa jet printer può aiutare gli assemblatori ad aumentare il flusso produttivo attraverso una concreta flessibilità che si traduce in ridotti tempi
di programmazione e veloci cambi di
produzione. A livello di qualità assicura giunti di saldatura affidabili per
tutte le tecnologie, dai componenti
LGA ai PoP per finire con i pcb tridimensionali.
Traiettorie balistiche
per un deposito a 3G
La JetPrinter
MY500
costituisce
un’applicazione
gestita da
software e
priva di telaio,
che utilizza
una tecnologia
esclusiva
brevettata
70
PCB
giugno 2011
Con una velocità di 34.000 cph e
un’accelerazione di 3 G il sistema deposita crema saldante su un pcb (dimensioni massime 508 x 508 mm da
0,6 a 7,0 mm di spessore) comunque
complesso e di qualsiasi tipo, indipendentemente dal mix di componenti
presente, dal tipo di finitura superficiale e dal tipo di tecnologia applicata
(SMT, PTH).
Lavorando sul principio delle
stampanti a getto di inchiostro la testa
viaggia a un’altezza dal piano scheda
di 0,65 mm e con metodo balistico
effettua depositi che raggiungono i
350 µm di altezza.
Non richiedendo la presenza di un
telaio di serigrafia né di nessuna maschera (o fixture), in qualsiasi momento e senza tempi di attesa, consente un
veloce changeover di produzione, non
solo nei confronti di un cambio di codice prodotto, ma anche nel caso che
sia richiesta una modifica circuitale in
corso d’opera.
La programmazione non richiede
fermo macchina perché è fatta offline
su di una stazione esterna da cui, una
volta terminata, è trasferita direttamente in rete sulla JetPrinter.
Essendo il sistema completamente
software-driven e stencil-free, riduce drasticamente i tempi di attesa (si
pensi solo ai giorni d’attesa dall’ordine
al ricevimento dello stencil) e la possibilità di introdurre errori da parte
dell’operatore. Per sua natura la macchina non richiede neppure il debug fisico del programma, essendo dotata di
una serie di autocontrolli che prendono il via nella fase di inizializzazione.
Adottando questa tecnologia si otterrà un giunto di saldatura perfettamente calzante ad ogni package presente sul pcb, sia che si tratti di cavità
o circuiti PoP, tanto in termini geometrici che volumetrici.
Dalla flessibilità nascono
qualità e risparmio
La programmazione è semplice e
immediata, inizia con l’importazione
dei dati nei formati Cad o Gerber, come quelli utilizzati dalla pick & place e il software di sistema s’incarica
della loro conversione nel programma
di lavoro. Per ogni componente il sistema conosce il volume di pasta idoneo, è possibile per l’operatore crearne
Inserimento
della cartuccia
nella MY500
di nuovi per dispositivi particolari o
inusuali o modificare quelli esistenti
in funzione delle necessità. Al termine dell’operazione MYCam genera il
programma di stampa e lo invia alla
jet printer collegata in rete.
Particolarmente utile è la capacità
del sistema di permettere la definizione dei depositi per singolo componente, stabilendone la posizione in
relazione alla geometria delle singole
piazzole, consentendo di modificare
l’altezza e il volume; funzione condivisa per tutti i componenti di una
data famiglia o solo per una specifica
necessità.
Questa flessibilità si ripercuote favorevolmente anche sulla possibilità
di apportare modifiche in tempo reale
durante la produzione, per correggere o migliorare la formazione di quei
giunti di saldatura che per loro natura presentano particolari criticità non
sempre preventivabili.
Nei casi in cui lo stesso circuito di
base si presti alla produzione di più
codici, si evita di realizzare stencil per
buona parte ridondanti, o comunque
di depositare su quella parte di circuito che non richiede la presenza di
componenti. In ogni caso si risparmia.
Come d’altro canto si risparmia sulla quantità di pasta utilizzata, perché
non viene dispersa sullo stencil, non
rimane sulle racle, né si corre il rischio
di rimettere questa rimanenza nel
contenitore dove c’è prodotto fresco, a
beneficio della qualità e dell’affidabilità di processo e di prodotto.
Capita a volte che arrivi la richiesta di una revisione circuitale proprio mentre si è pronti a produrre;
con MY500 non è più un problema,
potendo graficamente ridisegnare il
layout di un deposito effettuando la
modifica in real time.
Si elimina inoltre la pulizia dei telai
(indispensabile ai fini qualitativi sulle
serigrafiche), non è neppure richiesto
il posizionamento dei pin di contrasto
sotto la scheda per sopperire ai problemi di imbarcamento, e diventa più
facile il lavoro nel caso di pcb doppia
faccia.
Tecnologie a confronto
Chiunque percepisce quanto la tecnologia SMT sia in un continuo stato
di transizione. Comunque sia composto il mix produttivo, in particolare con la presenza di una accentuata
complessità, ogni realtà che assembla
necessita di dare risposte precise alle
sfide lanciate dallo scenario mutevole.
Risposte che si possono riassumere
in un veloce time-to-market e in un
crescente aumento dei livelli di qualità e di affidabilità dei giunti di saldatura.
PCB
giugno 2011
71
Nelle macchine di serigrafia tradizionali utilizzanti racle e stencil, ci
sono diversi parametri e variabili che
influenzano prima i risultati di stampa e poi il risultato della saldatura:
- velocità di stampa;
- pressione delle racle;
- angolo d’attacco;
- gasketing ovvero distanza tra stencil e pcb;
- velocità di separazione del pcb dallo stencil;
- supporto del pcb, in particolare
quando si deve serigrafare il secondo lato di un doppia faccia;
- spessore dello stencil e dimensione
delle aperture.
Ogni parametro influenza l’ammontare del deposito e di conseguenza la qualità del giunto di saldatura.
L’ottimizzazione dei parametri richiede
tempo ed esperienza; la loro corretta
impostazione potrebbe, sui prodotti più
complessi, costituire un collo di bottiglia del flusso produttivo, in particolare
dove è richiesta una spiccata flessibilità.
Di regola la riduzione del numero
dei parametri da controllare o delle
fasi di processo comporta un aumento
dell’affidabilità. Il numero dei parametri che intervengono nella serigrafia classica sono almeno una decina
(inclusa la realizzazione dello stencil);
nel caso della Jetprinter non superano
i tre. Per ogni parametro rimosso si
irrobustisce il processo. Tra i risparmi
economici (e non solo) viene eliminata la necessita di pulizia dei telai, sia
sulla serigrafica che mediante lavatrice, si libera lo spazio dedicato all’immagazzinamento di lamine e telai, si
evita il rischio di danneggiamento degli stencil durante l’handling.
Il plus della tecnologia
jet printing
MY500 consente di accedere ad
applicazioni 3D, dove è necessario depositare crema saldante all’interno di
72
PCB
giugno 2011
La testa della MY500 può depositare
pasta saldante o SMA in movimento,
durante il suo spostamento sulla
scheda
cavità, oppure in presenza di componenti impilati gli uni sugli altri (PoP),
tecnologie adottate per ridurre le distanze di interconnessione. Risulta
particolarmente vincente anche effettuare depositi a triangolo per lo 0402
o 0201 (onde evitare il fenomeno del
tombstoning), così come creare depositi tridimensionali per eliminare il
problema di galleggiamento dei componenti QFN.
Sebbene la soluzione “stepped
stencil”, ovvero la lamina di serigrafia
con spessori differenziati, garantisca
un certo grado di flessibilità operativa,
è comunque limitante nei confronti
dei volumi depositati e in particolare dalla minima distanza da tenere tra
zone a spessore differenziato, questo
senza considerare poi il maggior costo
per via dei passaggi aggiuntivi necessari alla sua realizzazione.
La distanza tra le aree di step-up
(più pasta) e step down (meno pasta)
rispetto alle normali aperture è definita come area di rispetto (keep-out
distance). In accordo con la normativa IPC-7525A (Stencil Design
Guidelines) la minima distanza richiesta tra il bordo di un’apertura
nell’area di step-up e la più vicina delle aperture normali è di 2,5 mm.
Questo limita la libertà di progettazione da una parte e impone restrizioni nella miniaturizzazione dall’altra.
All’opposto la JetPrinter assicura
il pieno controllo sulla deposizione,
costruendo il volume desiderato mediante il posizionamento sequenziale
dei getti di pasta uno sull’altro.
Più una scheda è complessa -perché
multistrato, perché lo spessore è estremamente sottile o il pcb è di tipo flessibile- più diventa difficile il controllo della planarità e di conseguenza il
controllo della qualità finale. MY500
utilizza la misurazione laser per mappare la planarità del pcb, cui segue la
compensazione automatica dell’altezza dell’asse Z. Inoltre ad ogni inizio di
produzione è eseguita la calibrazione
automatica del deposito mediante una
telecamera che ne verifica la forma.
Se consideriamo solo il tempo ciclo, una serigrafica tradizionale risulta essere più veloce, tutto questo però
perde di efficacia se la linea non è bilanciata correttamente. Ovviamente
il tempo ciclo per una JetPrinter
dipende dal numero di pad da ricoprire e dalla dimensione del circuito
stampato. Va comunque sottolineato
che il tempo di cambio codice non
richiede che una manciata di secondi
e questo gioca un ruolo fondamentale dove è richiesto per esempio di
introdurre una lavorazione non pianificata o di soddisfare un’urgenza
estemporanea.
Una testa plug-and-play
su un braccio
in fibra di carbonio
La deposizione ad alta velocità della pasta saldante avviene sul principio
delle stampanti a getto d’inchiostro,
con la differenza che ad essere espulse
sono piccole sfere di pasta saldante.
Il meccanismo di espulsione è costituito da una vite di Archimede che
convoglia la pasta saldante (tipo 5) dal
serbatoio all’interno della camera di
espulsione dove un trasduttore azionato piezoelettricamente impartisce
l’energia necessaria alla pasta saldante
per essere lanciata sul target pad.
Il sistema di espulsione è stato
progettato per poter lanciare fino a
500 gocce al secondo. Questo dispositivo di concerto col software che controlla la balistica di lancio, consente a
MY500 di depositare i volumi di pasta
desiderati senza stazionare sui punti
di deposito. Le accelerazioni (fino a
3G) a cui è sottoposta la movimentazione ha richiesto una speciale base in
fusione minerale e un braccio, su cui
scorre la testa, in fibra di carbonio.
La pasta saldante (indifferentemente con e senza piombo, prodotta
delle principali marche) è contenuta
in siringhe Iwashita da 30 cc. Ogni
siringa è caricata su di una testa ad innesto rapido, che consente di caricarla
in macchina in pochi secondi (idem
per rimuoverla).
Testa e siringa costituiscono così un
monoblocco da riporre nel frigorifero
a fine giornata.
Il codice a barre presente sulla siringa e un chip di riconoscimento
contenuto nella testa assicurano che
non venga caricata per errore una pasta sbagliata o scaduta. Un controllo
di temperatura assicura che la corretta
viscosità della pasta saldante sia mantenuta per tutto il tempo di durata del
processo. Gli encoder e i motori lineari garantiscono precisione, velocità e
ripetibilità del processo.
Lean manufacturing
Gli investimenti in nuova tecnologia vanno attentamente valutati perché devono soddisfare tanto le
esigenze immediate quanto quelle che sicuramente si presenteranno
nel medio termine. È facile scivolare
sull’acquisto fatto “giusto nel caso che
si presenti la necessità”, ma un siffatto
investimento potrebbe avere una quiescenza del ROI molto lunga e sfiorire
prima che si presenti l’agognata situazione produttiva favorevole.
Il ROI di MY500 Jetprinter inizia
da subito, i risparmi sull’attrezzatura e
sul materiale di consumo si sommano a quelli del tempo di programmazione, di entrata in produzione e dei
cambi di codice prodotto giornalieri.
Questo innovativo sistema diventa
un mezzo per la costruzione reale della
lean manufacturing, già proiettato nel
futuro dell’elettronica grazie alla filosofia software-driven adottata da tutti i
sistemi Mydata. L’utilizzo intelligente
delle informazioni, la limitazione dei
down time e l’eliminazione delle attività senza valore aggiunto sono i requisiti da cui non si può prescindere per
accedere al crescente mercato dell’elettronica on-demand.
Cabiotec
www.cabiotec.it
▶ TEST & QUALITY - NUOVE TECNOLOGIE
Il test con la scansione
acustica
La microscopia acustica a scansione utilizza l’interazione di onde generate
da un trasduttore ad ultrasuoni con l’oggetto da indagare per capire
se esista la presenza al suo interno di disomogeneità strutturali.
L’analisi dell’eco prodotta consente di capire se ci sono delaminazioni,
void e, più in generale, la presenza di discontinuità nel materiale
di Davide Oltolina
L
e tecnologie di interconnessione
dei componenti di ultima generazione BTC, QFN, LGA, PoP
e SiP mirano a un sempre maggior
addensamento di componenti all’interno di uno stesso package, ponendo
problemi a valle del processo durante
le fasi di test che seguono l’assemblaggio dei dispositivi sui pcb.
74
PCB
giugno 2011
Problemi derivanti dalla presenza
di umidità nei molding dei package
o nati durante il processo di rifusione
non sono facilmente indagabili con i
tradizionali sistemi di test e d’ispezione. Nel caso di presenza di problemi
d’interconnessione all’interno di un
componente, la difficoltà diagnostica
consiste appunto nel dover guardare
all’interno di un contenitore ermeticamente chiuso. Non sempre basta
sostituire un componente che si è
presentato difettoso al test elettrico,
il problema potrebbe essere nel come
è maneggiato all’interno del processo
produttivo, piuttosto di come è stato saldato. Senza eliminare la causa
prima, non v’è certezza di produrre
pcb affidabili nel tempo. La presenza
di delaminazioni, fratture, vuoti non
sempre inibisce totalmente il funzionamento del componente, a volte il
problema invalidante agisce sulla media o lunga distanza, quando il pcb è
installato sul campo.
I problemi che si possono incontrare all’interno di un package sono
principalmente dovuti al processo.
Dalle crepe nei moulding compound
alle crepe a livello di interfaccia tra
bump e substrato o tra bump e die, alla presenza di void negli stessi bump.
I void possono trovarsi anche a livello
di underfill nel caso di flip chip.
Qualsiasi tecnica di microscopia
classica sarebbe in molti casi utile a
stabilire il danno e la sua causa, ma
solo a package “aperto”, apertura che
comporta la distruzione del package
e con questo la possibile distruzione
della zona difettosa o quantomeno
l’introduzione di alterazioni che potrebbero sviare l’indagine.
Il sistema
Sonoscan
serie D6000
per i test acustici
Scanning Acustic
Microscope (SAM)
Il microscopio a scansione acustica
è lo strumento ideale per un’indagine
accurata di tipo non distruttivo.
Il principio generale di lavoro è
quello della scansione a punto a punto
con cui ricostruire l’immagine dell’oggetto sotto indagine.
Il SAM utilizza come fascio esploratore un’onda acustica prodotta da un
generatore ad ultrasuoni, che attraversa
un trasduttore e viene poi focalizzata.
Le onde sonore si propagano attraverso la materia, la presenza di disomogeneità lungo il percorso dell’onda
ne modifica la traiettoria, provocando
sia la parziale riflessione che la rifrazione.
La rifrazione è la deviazione subita
da un’onda quando questa passa da un
mezzo a un altro (con indice di rifrazione diverso), con cambiamento della velocità di propagazione. Ogni tipo
di onda può essere rifratto, la rifrazione della luce è l’esempio più comunemente osservato.
Visualizzazione mediante test acustico di un componente elettronico (Fonte: Sonoscan)
Nel microscopio a scansione acustica le misure dell’intensità, del ritardo
e della posizione delle onde riflesse
consentono di tracciare una mappa di
quanto si trova all’interno del componente, inclusi i particolati come piccole crepe, vuoti o delaminazioni.
Il ruolo dell’assorbimento gioca
un ruolo fondamentale impedendo
l’osservazione degli oggetti oltre un
certo limite. La profondità raggiunta dipende dalla natura dei materiali
coinvolti e dalla frequenza di lavoro
dell’onda acustica; maggiore è la frequenza e maggiore è l’assorbimento,
con conseguente limitazione della
profondità di penetrazione.
La risoluzione del microscopio dipende dalla lunghezza d’onda, che è
anche funzione della densità e della frequenza. Di conseguenza la risoluzione
consentita è funzione della profondità
raggiunta e della natura del materiale di
cui è fatto l’oggetto sotto test.
Principio di funzionamento
L’onda nasce da un generatore a
ultrasuoni ed è inviata sotto forma
d’impulsi a un trasduttore la cui superficie d’uscita è geometricamente
lavorata a forma di parabola.
76
PCB
giugno 2011
Questa parte terminale del trasduttore è immersa in un liquido, solitamente acqua, che costituisce il mezzo di propagazione del treno di onde
acustiche.
La geometria terminale del trasduttore funge da lente perché con la
sua curvatura provoca la convergenza
delle onde focalizzandole in un punto
preciso.
Il campione da testare è immerso
nel liquido nel punto di focalizzazione delle onde.
La successione di eco generate in
risposta al treno di onde principale
che colpisce l’oggetto, ritorna al trasduttore che è passivo tra un’emissione e la successiva e può quindi
raccogliere le onde di ritorno e trasformarle in segnale elettrico da elaborare.
Rispetto all’emissione principale,
le onde di ritorno sono analizzate in
ampiezza, fase e ritardo.
Le frequenze di lavoro dei microscopi acustici utilizzati in elettronica spaziano nella fascia tra 200 e
300 MHz, con risoluzioni rispettivamente tra i 25 e i 14 micron e una
profondità di indagine di qualche
millimetro.
Usualmente si utilizza un C-SAM
in cui l’angolo di incidenza non supera il valore critico oltre il quale la
maggior parte dell’onda viene riflessa.
Il fascio di onde viene focalizzato
sul particolare di interesse che riflette una quantità di onde bastevoli alla
formazione dell’immagine, ma la presenza di un difetto riflette la totalità
delle onde. A questo punto l’immagine è realizzata facendo compiere al
trasduttore una scansione sul componente sotto test. Il tempo che l’eco
di ritorno impiega per raggiungere il
trasduttore dipende dalla sua distanza
dal componente, mentre l’ampiezza e
la polarità del segnale dipendono dalle proprietà dei materiali costituenti il
componente.
Siccome l’eco dei vari livelli interni
al componente ritornano con una piccola differenza di tempo, è possibile
restringere il campo di indagine a un
livello di interesse specifico. Questo
fine aggiustamento associato all’alto
livello di risoluzione chiarificano da
soli il motivo per cui questa tecnologia è così utile nella ricerca dei difetti
che si manifestano nei package, anche
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Il sommario della rivista porterà automaticamente a ogni articolo presente nella stessa.
L’indice degli inserzionisti sarà anch’esso provvisto di collegamenti alle pagine relative.
Fabbricanti di
circuiti stampati
Rubrica dedicata ai più importanti costruttori di PCB, provvista di singole
schede personalizzate e descrizioni dettagliate delle attività di ogni
produttore di circuiti stampati. Vengono raccolte in questa sezione
aziende che operano su diverse tipologie di prodotti: dai monofaccia ai
doppio strato, dai multistrato ai fessibili, dai rigidi-flessibili ai più avanzati
prodotti della printed electronics.
PCB
giugno 2011
79
AREL S.r.l. - Via G. Di Vittorio 7/15 - 20017 Mazzo Di Rho (MI)
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Hal, hal lead free, stagno chimico,
argento chimico
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Omologazione: UL E176473
Certificazione: ISO UNI EN 9001:2008
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campionature assemblate,
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80
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giugno 2011
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t. +39 0432 655350 f. +39 0432 655349
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Produttori di circuiti stampati
pubblicati in base al logo di fabbricazione
Nel corso di tutto il 2011 questa sezione dedicata ai fabbricanti di circuiti stampati verrà aggiornata mensilmente.
Se siete interessati a comparire su queste pagine per ulteriori informazioni contattare il numero 02 30.22.60.60
Informativa ex D. Lgs 196/3 (tutela della privacy).
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