Le fasi del processo produttivo orientate all'assemblaggio di un Pcb dipendono principalmente dai componenti utilizzati. Per molte applicazioni l'utilizzo di alcuni componenti Th è indispensabile o, come nel caso dei connettori, costituisce un vantaggio per via della maggiore robustezza che essi offrono. Il problema interviene a livello di processo per via del costo elevato che potrebbe comportare la saldatura manuale o il ricorso a uno dei tanti metodi di saldatura selettiva.
Volendo attuare un processo pin-in-paste affidabile (etichettato anche come Intrusive Reflow, Through Hole Reflow o AART, “Alternative Assembly and Reflow Technology”), ma che accanto a un risultato qualitativo dia anche una buona resa produttiva, è necessario approfondire alcune conoscenze specifiche di questo processo e dei materiali coinvolti, selezionando la pasta saldante che per caratteristiche reologiche meglio si presta al riempimento dei fori, i componenti Th che resistono alla temperatura del tunnel di rifusione, il profilo termico utilizzato, il layout della scheda più consono a raggiungere l'obiettivo di questo processo e la geometria delle aperture della lamina serigrafica.
Quando i terminali del connettore o del componente sono infilati nei fori, una parte della pasta serigrafata in precedenza rimane sulla punta dei terminali. La pratica dimostra che solo quantità trascurabile va persa. Infatti, durante la rifusione, la lega risale lungo il pin e per capillarità entra nel foro e lo risale (la lega in fase liquida tende a fluire verso il punto più caldo, in questo caso il foro riempito di lega, che si trova a livello di maggiore energia); un grosso aiuto deriva dal corretto dimensionamento della lunghezza del pin che non deve sporgere oltre i 2 mm dalla superficie della scheda.
Un possibile problema può nascere dal contatto che il corpo del componente (la sua superficie rivolta verso la scheda) può avere con la pasta serigrafata; questo è dovuto a un errore di progettazione del connettore o delle aperture dello stencil.
Un occhio di riguardo deve essere dedicato al profilo termico di rifusione: come i grossi QFP o BGA potrebbero essere i punti più freddi della scheda, così anche i connettori con la loro massa termica potrebbero costituire un problema. In particolare la parte più fredda (delta negativo di 10-15 °C o più) si trova sotto il corpo dei connettori, dove si forma il giunto. Problema questo superabile modificando opportunamente il profilo termico.
Caratteristiche dei componenti
La compatibilità alle alte temperature è una delle prime caratteristiche richiesta ai componenti sia per ragioni di affidabilità che per cosmesi. I componenti Th e odd-form da utilizzare in un processo pin-in-paste devono poter sopportare le escursioni termiche sviluppate nel tunnel del forno e descritte dal profilo termico impostato in conformità alle esigenze di saldatura dell'intero assemblato. In particolare, le resine del corpo del componente non devono veder degradare le proprie caratteristiche: non devono prendere fuoco, sciogliersi anche solo parzialmente, variare la propria stabilità dimensionale. Del pari anche le caratteristiche della parte elettrica non devono subire modifiche né immediate né derive a lungo termine.
Una peculiarità richiesta al componente è quella di mantenere una minima distanza dalla superficie serigrafata della scheda, questo per non interferire col deposito di pasta saldante e per lasciare alla lega liquida l'agio di fluire liberamente dalla piazzola al foro per poterlo adeguatamente riempire. Solder ball, solder bedding e corti sono il risultato di inserzioni non corrette o dell'uso di componenti impropriamente progettati per il processo pin-in-paste.
Il design del componente deve essere preso in considerazione sia nel momento in cui si progettano le piazzole nell'intorno dei fori di inserzione sia nel momento in cui si progettano le aperture dello stencil.
La sporgenza dei terminali, dal lato della scheda opposto a quello di inserzione del componente, come detto, dovrebbe essere di norma compreso tra 1 e 2 mm. Una lunghezza eccessiva potrebbe causare un accumulo di lega fusa sulla punta del terminale, sottraendo un prezioso volume dal giunto in formazione, con in più la possibilità che la goccia si stacchi e cada all'interno del tunnel. Determinare un volume di lega maggiore a protezione di eventuali perdite non mette al riparo dai danni causati da un eventuale rilascio di lega all'interno del tunnel.
I moderni sistemi di assemblaggio sono in grado di piazzare una vasta gamma di componenti, caricati in macchina mediante reel, vassoi o stecche. Per individuare l'esatta ubicazione di piazzamento è richiesta la visione perché il vecchio metodo di ricerca meccanica, ammesso e non concesso che sia ancora utilizzato, disturberebbe i depositi serigrafici di pasta saldante.
Il piazzamento automatico offre benefici quali l'accuratezza, la ripetibilità e la velocità. Il piazzamento manuale è un'altra opzione il cui unico beneficio risiede nel non dover acquistare un sistema dedicato e, nel caso di piccoli volumi, il risparmio del tempo di programmazione. Per il resto c'è perdita di velocità e accuratezza variabile, in particolare per i componenti con molti pin.
Il volume di pasta saldante
La corretta progettazione di questo passo del processo è ovviamente importante al fine di ottenere dei buoni giunti di saldatura. Se il rapporto tra l'apertura del foro e la dimensione del terminale inserito è troppo grande, sarà necessario avere delle grosse aperture nello stencil o un suo spessore significativo. Per terminali circolari il diametro del foro dovrebbe essere approssimativamente 0,4 mm più grande del pin, mentre per pin rettangolari il foro dovrà essere 0,3 mm maggiore rispetto alla diagonale, più le rispettive tolleranze. Queste differenze dimensionali consentono alle sostanze volatili di lasciare con una certa facilità il giunto in formazione perché, se imprigionate, darebbero luogo alla formazione di void; tali differenze agevolano inoltre l'inserzione automatica.
Il calcolo del volume di pasta richiesta per la formazione del giunto deve tener conto della quantità necessaria al riempimento del foro (considerando la dimensione media del reoforo che lo attraversa) e dell'ammontare di lega che occorre per la formazione delle terminazioni dei giunti su ambo i lati della scheda.
Per determinare il volume di pasta richiesto si calcola il volume del foro a cui si sottrae quello del segmento di terminale che lo attraversa (sottrazione tra volumi di due cilindri):
Nel computo rientra anche la valutazione della percentuale metallica contenuta nella lega, infatti, fatto cento il deposito serigrafico di lega, dopo la rifusione viene a mancare la parte volatile (flussante, agenti reologici, ecc.) per un ammontare di circa il 10% in peso. A livello di volume la componente metallica supera di poco il 50% e, di conseguenza, nella progettazione delle aperture dello stencil è necessario prevedere di poter depositare pasta saldante il cui volume sia 1,9 volte in più rispetto al volume solido calcolato.
Per semplicità la formula precedente diventa:
La geometria del filetto top e bottom non può essere predeterminata perché funzione della composizione della lega utilizzata, delle condizioni della metallizzazione interna del foro e delle piazzole, delle condizioni del reoforo del componente, del profilo di rifusione e così via, ma può essere calcolato il suo volume, per cui la formula finale diventa:
Con osservazioni sperimentali è stato rilevato che la forza di tenuta del giunto diminuisce quando il volume di pasta è inferiore all'80% rispetto al valore ideale.
Dalla serigrafia al solder bearing fluxed lead
La serigrafia è il metodo preferito per la deposizione, perché consente di unificare questa fase di processo con quella per i componenti smt.
Come accennato nel paragrafo precedente, lo spessore della lamina è un parametro critico, dal momento che il volume depositato è (come per gli altri componenti smd) funzione tanto dello spessore che delle aree di apertura, con l'aggravante che il primo deve anche soddisfare i requisiti dettati da un'eventuale presenza di fine-pitch o ultra-fine-pitch. Le racle metalliche sono ovviamente d'obbligo perché danno un contributo fondamentale nel riempimento del foro e nell'evitare l'asportazione di pasta dalle finestre più ampie. Durante la serigrafia la pasta non deve fuoriuscire dalle aree designate e contaminare la superficie della scheda. Il riempimento del foro è regolato dalla velocità di serigrafia e dall'angolazione della racla. La bassa velocità favorisce il riempimento, ma ha come controindicazioni di facilitare anche la formazione di corti sui componenti fine-pitch, di aumentare il tempo ciclo e di necessitare la pulizia più frequente dello stencil. Una diminuzione dell'angolo di lavoro della racla aumenta la forza con cui viene spinta la pasta all'interno del foro, ma presenta le stesse controindicazioni accusate dalla bassa velocità. Una soluzione congeniale sarebbe l'utilizzo della testa di stampa, dove la pressione applicata alla cartuccia determinerebbe in linea diretta l'ammontare del riempimento del foro; un aumento della pressione di lavoro delle normali racle metalliche darebbe risultati simili, ma con la precoce usura sia dello stencil che delle racle stesse.
Ci sono diverse sequenze di processo che possono essere attivate e la loro scelta dipende dallo specifico mix che si deve assemblare. La soluzione più “semplice” e meno costosa è quella di utilizzare un unico stencil per smt e Th. Soluzione che, ad esempio, si rivela percorribile con la scelta dello spessore adatto ai componenti smd nel caso siano presenti uno o più connettori a doppia linea di terminali e per cui non ci siano costrizioni di spazio per la disposizione è la dimensione delle piazzole: in questo caso il desiderato volume di pasta lo si raggiunge riempiendo i fori e le piazzole opportunamente dimensionate per ricevere la quantità che i fori non possono ospitare, ma necessaria a formare il giunto nella sua interezza.
Un'altra possibilità è quella di utilizzare uno step stencil, dove l'area nei dintorni delle aperture per il Th è di spessore maggiore, per aumentare il volume depositato a parità di apertura.
In generale, l'area delle aperture è calcolata in base al passo del componente, al numero di righe dei terminali e all'interasse tra i depositi. Va sottolineato come la disposizione e l'orientamento delle aperture non richiedono particolare simmetria; ogni stencil per applicazioni pin-in-paste richiede comunque un certo grado di personalizzazione.
Altre due alternative sono l'utilizzo di un dispenser o dei preform.
Per molte applicazioni potrebbe essere un'interessante alternativa l'utilizzo di un dispensatore che, con le velocità raggiunte dall'ultima generazione di sistemi, non sacrificherebbe la velocità del processo. Questa alternativa offre la flessibilità e la possibilità di depositare volumi di pasta anche consistenti, non sempre ottenibili in serigrafia. Utilizzando un apposito ago questa alternativa può essere utilizzata anche su schede che hanno già i componenti inseriti, forzando la pasta attorno al terminale e all'interno del foro. La soluzione del dispensatore comporta però un passaggio addizionale e l'utilizzo di un sistema dedicato per cui rimane un po' al margine della tecnologia pin-in-paste ed è più indicata per prototipi e applicazioni di nicchia.
La disponibilità dei preform offre un'ulteriore variante al tema; queste sono infatti disponibili singolarmente o come strip; rimane comunque la difficoltà del loro inserimento che, se fatta manualmente, comporta un allungamento del tempo ciclo e, automaticamente, richiede un kit di lavoro dedicato, senza contare che i preform sono poco o per nulla utilizzati in Italia e di conseguenza anche difficili da reperire in modica quantità.
Trattando di connettori si può ricorrere all'utilizzo della tecnologia solder bearing fluxed lead. La lega e il relativo flussante sono racchiusi nel corpo del componente in prossimità di ogni pin. Portata in rifusione, la lega cola all'interno del foro formando il giunto di saldatura. Questa alternativa elimina il ricorso alla serigrafia, non implica passaggi addizionali e non richiede particolari layout del circuito stampato (non richiede neppure uno studio particolareggiato del volume di lega, essendo essa predeterminata a monte) diventando risolutiva là dove la disponibilità di spazio sia un elemento critico.
Il forno deve poter fornire un sufficiente apporto termico per tutti i componenti presenti sulla scheda, inclusi naturalmente gli odd-form e i Th che potrebbero avere masse termiche importanti se comparate con quelle degli smt.
La massa di pasta in gioco in un giunto pin-in-paste è superiore a quella di un giunto per smt, di conseguenza il tempo durante il quale il pcb è tenuto al di sopra della temperatura di rifusione deve essere sufficientemente lungo per permettere alla componente volatile di lasciare completamente il foro, usualmente più lungo di un profilo di tipo standard; è d'obbligo tanto il controllo della temperatura di picco che i gradienti di salita e discesa del profilo.
Il livello di accettabilità dei giunti derivanti dal processo pin-in-paste si rifà allo standard IPC comunemente accettato dall'industria elettronica, con eventualmente degli adattamenti in relazione ai singoli processi; quello che è importante è di definire i criteri prima di avviare il processo, per avere subito disponibili dei termini di giudizio. Nella valutazione dei risultati è importante considerare che il filetto (top e bottom) risulta leggermente più piccolo di quello ottenuto con la saldatura manuale o con quella a onda, fattore che non inficia assolutamente sull'affidabilità dei giunti ottenuti con questa tecnologia che, al contrario, ha manifestato un alto grado di ripetibilità.
