לרבע את המעגל – פתרונות טכנולוגיים יצירתיים למעגלים מורכבים

“לכל בעיה יש פתרון, שאם לא כן – לא הייתה בעיה” כך אמר המדען הדגול אלברט איינשטיין.

תחום ההייטק דורש יכולת גבוהה של חשיבה יצירתית מחוץ לקופסא. פיתוח של מוצרים חדשים המשלבים טכנולוגיות מתקדמות כדי לענות על צרכי השוק המשתנים.
השימוש באלקטרוניקה בשנים האחרונות מתרחב למגוון יישומים ואביזרים. האביזרים הניידים שלובשים צורות חדשות באופן תדיר, והבאז הרועש סביב הפיכת מוצרים דוממים למתקשרים “האינטרנט של הדברים”, ( – Internet of Things), מאלצים צורך גובר והולך במימוש פונקציות אלקטרוניות רבות יותר בשטח קטן יותר. המזעור של המוצרים האלקטרונים מייצר הלימות גבוהה גם למעגלים המודפסים. המעגלים נעשים דקים יותר וצפופים יותר. הרכיבים הזעירים דורשים נקודות הלחמה (פדים) בשטח קטן יותר ובמרחק קצר יותר בין אחד למשנהו. לפי דו”ח של הארגון האמריקאי IPC, ב-5 השנים האחרונות (2010-2015) בוצע גידול עולמי של כ-38% בדרישה למעגלים אלקטרונים צפופים ( – High Density (Interconnect עד לכ-18.6 מיליארד דולר בשנת 2015 וב-5 השנים הבאות קיים צפי לצמיחה נוספת של כ-25% נוספים בקטגוריה זו עד לכ-23 מיליארד דולר בשנת 2020. לאור השוואה, הצפי לגידול ב-5 השנים הקרובות בכל שוק ה-PCB העולמי בממוצע הינו 8%. כדי להתמודד בהצלחה עם האתגר לא מספיק רק לייצר רכיבים קטנים יותר ויותר. התלות והקשר בין המעגל המודפס, החומרים ותהליכי הייצור מחייבים ניתוח מעמיק של תהליך ההלחמה ונקודות הכשל עוד בשלב התכנון. היצרנים והמתכננים של מוצרים אלו חייבים לעבוד יותר מתמיד בשיתוף פעולה צמוד כדי למצוא פתרונות יצירתיים ולא פחות מכך יעילים. על מהנדסי הפיתוח לתכנן מוצר שאכן יענה באופן מלא על דרישות הלקוח, ובה בעת, ניתן יהיה לייצרו באופן יעיל ואפקטיבי.

איך מוצאים פתרון הרכבה אופטימלי למעגל גמיש בעובי 2 מיל?
פנתה אלינו חברה המפתחת מוצר רפואי מהפכני, שבב זעיר ואלחוטי המאפשר מעקב יום יומי אחר מצבם הבריאותי של חולי אי ספיקת לב. המעגל המודפס בגודל 10X1.2 מ”מ שהיה לב המוצר הכיל מספר אתגרים טכנולוגיים מעניינים: רכיבים במארז 01005 (0.4X0.2 מ”מ), רכיב במארז מיקרו BGA עם מרחק בין רגלים (Pitch) של 16 מיל (0.4 מ”מ) והדובדבן שבקצפת כאמור, מעגל גמיש בעובי 2 מיל (0.05 מ”מ). כאשר ניתחנו את האתגרים שעל הפרק, לא היה קשה להבין שהמשוכה הגבוהה ביותר היא העובי של המעגל. מעגל סטנדרטי הינו בעובי 1.6 מ”מ (פי 320! מהמעגל שנדרשנו להרכיב), המכונות בקו הייצור מסוגלות להתמודד בהצלחה גם עם עובי דק יותר בחצי, דהיינו 0.8 מ”מ. מעגל בעובי נמוך מכך, דורש מנשא (גי’ג) אשר יהווה בסיס עליו יישב המעגל במהלך מעברו בקו הייצור. לאור זאת שהמעגל גם היה קטן מאוד נדרש היה לתכנן פאנל עם מספר מעגלים ולוודא במהלך תכנון הפאנל שניתן יהיה להצמידו בצורה מדויקת למנשא.
המשוכה הבאה הייתה הרכיבים המזערים במעגל. לרכיבים אלו נקודות הלחמה (פדים) קטנות ביותר (6 מיל) ונדרש היה לוודא שהפדים מקבלים את כמות הבדיל האופטימאלית הנדרשת לטובת הלחמת הרכיב בצורה מיטבית. הוחלט להזמין מסכת הלחמה (Stencil) דקה (2.5 מיל) שתאפשר מעבר של כמות משחת בדיל מזערית ומדויקת. ברם, מסכה דקה זו, אינה קשיחה מספיק ויכולה לגרום לעיוותים בתהליך מתיחתה במכונת המריחה (Printer). לכן הוחלט להזמין מסכת הלחמה מדורגת אשר אמנם תהיה בעובי 2.5 מיל באזור הרכיבים, אך בה בעת בשולי המסכה עובייה יהיה 4 מיל כדי לאפשר חוזק מכאני למסכה בתהליך המריחה.

איך מוצאים פתרון הלחמה מיטבי לרכיב האקטיבי הקטן בעולם?
פתרון טכנולוגי לא פחות מאתגר היה עלינו למצוא לחברת הייטק ישראלית גם היא בתחום הרפואי אשר פיתחה רשתית אלקטרונית. החברה אשר דורגה ב-25 חברות הייטק המבטיחות באירופה (ע”י המגזין האירופאי CNBC), הינה חלום שמתגשם עבור מיליוני עוורים ברחבי העולם. מהנדסי החברה צלחו את מורכבות הפיתוח של המוצר החדשני אך נתקלו בקשיים לא מבוטלים בתהליך הייצור.  המוצר מתבסס על רכיב אלקטרוני זעיר ביותר עם מרחק בין רגלים (Pitch) של 11 מיל! (0.275 מ”מ). רכיב זה הינו הרכיב האלקטרוני האקטיבי הקטן בעולם שהורכב בקו SMT נכון להיום. תהליך ייצור מעגל זה, שבוצע עד כה ע”י הלקוח, כלל לא פחות מ-4 ספקים שונים שעליהם היה לדבר בשפה אחת כדי לאפשר הלחמה מיטבית של הרכיב. הספק הראשון היה כמובן יצרן הרכיב, ספק שני הלחים בעזרת מיקרו-אלקטרוניקה כדוריות בדיל (Balls) לטובת הלחמה של הרכיב, הספק השלישי היה יצרן המעגל, הספק הרביעי ביצע את השמת הרכיב על המעגל. תהליך זה היה מסורבל, יקר ונמשך זמן רב. (8 שבועות). לאחר סיעור מוחות שביצענו בחברה בין גוף הייצור (אלטק) לגוף ההשמה (ניסטק מרכז) וגוף התכנון (ניסטק דיזיין), הוסק, כי ניתן להרכיב את הרכיב הנ”ל בתהליך ייצור סטנדרטי עם מספר פעולות יצירתיות. הוחלט לייצר מעגל אלקטרוני ללא SM (“גשרונים”) בין הפדים ולהרכיב את הרכיב כפי שהוא (ללא הוספת Balls) בתהליך השמה טיפוסי. לאור הדיוק הנדרש, בתהליך ייצור המעגל המוליך לא כוסה ב-SM אלא נותר חשוף. בניסוי ההשמה הראשון שבוצע הובחן כי קיימת חוסר הלחמה בפדים של הרכיב. לאחר ניתוח הנושא, נמצא כי הסיבה היא המוליך החשוף אשר עקב כוחות פני השטח “גנב” את הבדיל מהפד. לאור זאת בניסוי השני הוחלט לפתוח חור (aperture) גדול יותר במסכת ההלחמה, כך החור החדש כיסה גם את הפד וגם חלק מהמוליך, כדי לאפשר כניסת “לחם” גדולה יותר שתאפשר הלחמה מיטבית (איור 1). תוצאות ההלחמה של הניסוי השני (איור 2) אכן הראו כי חומר הלחם כיסה באופן מלא את הפד ובוצעה הלחמה תקינה.
יתרונות התהליך החדש היו ברורות: תהליך זול יותר בכ-50%, קיצור זמן אספקה בכ-70% וכמובן תוצאות הלחמה מיטביות.

איך מרכיבים מעגל זעיר בגודל 1.4X14 מ”מ?
חברה מעניינת נוספת פנתה אלינו עם צורך בהרכבת מעגל אלקטרוני זעיר בגודל 14X1.4 מ”מ. מעגל במידות אלו, לא ניתן להרכיב בקו ייצור אוטומטי.
במקרה זה, היה עלינו לתכנן פאנל מרובע מלבני אשר יכיל מספר מעגלים כדי לאפשר את הרכבת המעגל בקו הייצור האוטומטי. במכונות קו הייצור קיימים מסועים אשר עליהם משונע המעגל במהלך העבודה לכן יש להקפיד כי הפאנל יהיה מרובע ומלבני כדי לאפשר תנועה יציבה על המסועים. תכנון הפאנל מאפשר מחד לשמור על מידת המעגל הגנרי ומאידך לנצל בצורה אופטימאלית את פס הייצור. בשיטה זו הפאנל יורכב בקו הייצור ולאחר מכן יפורקו המעגלים ממנו להמשך העבודה.
לאור זאת ששטח המעגלים בתוך הפאנל היה קטן משמעותית משטח הפאנל הריק, הוגדרו בשטחים הריקים קוביות נחושת (Copper Balance) כדי לאפשר איזון תרמי בתהליך החימום (Reflow) בקו הייצור וכן לאפשר חוזק מכאני ויציבות לפאנל. בנוסף, נוספו נקודת ציון (Fiducial) מקומיות ליד כל מעגל כדי לאפשר דיוק גבוה בתהליך ההשמה. (איור 3) הפאנל שהכיל 24 מעגלים, הוצמד למנשא קשיח אשר נשא אותו בתהליך ההשמה. הואיל ונדרש היה להצמיד את הפאנל בצורה חזקה ויציבה למנשא, תוכננו על הפאנל חורים ייעודיים לטובת מתיחה של הפאנל על המנשא.

במקום להגיד לא, לחשוב איך כן

ארבל ניסן, סמנכ”ל שיווק, ניסטק

לאור המגמה של הגדלת פונקציונליות המוצרים האלקטרונים ובה בעת הקטנת גודלם, המעגלים האלקטרונים נהיים צפויים יותר ויותר. פיתוח המוצר הינה אבן דרך הכרחית אך לאמספיקה בהוצאת המוצר לשוק. בתהליך הפיתוח יש להתחשב בשיקולי הייצור של המעגל ולשלב את מתכנן המעגל האלקטרוני והיצרן כדי לוודא שתהליך הייצור בר-ביצוע ולא פחות חשוב מכך יעיל ואיכותי. יחד עם זאת, על מתכנן המעגל והיצרן אשר לרוב כפופים לחוקי ייצור נוקשים, לחשוב מחוץ לקופסא ולראות איך להתאים את דרישות מהנדס הפיתוח לדרישות הייצור. גם אם הדרישה מהפיתוח נראית לכאורה, בלתי אפשרית לתנאי הייצור, יש לחשוב באופן יצירתי, איך לרבע את המעגל ולהתאים אותה לרצפת הייצור. שיתוף פעולה פורה בין מהנדסי הפיתוח לשרשרת התכנון והייצור תאפשר יציאה מהירה לשוק עם מוצר אלקטרוני אמין ואיכותי המותאם באופן אופטימלי לצרכי השוק והלקוחות. כך נוכל להבטיח, את המשך קידומה ושגשוגה של תעשיית ההייטק הישראלית.