איך אפשר לבצע התאמה באופטימיזציה בחריר סטנסיל להלחמה, במטרה להרחיב את האפשרויות של המחבר

עם הגידול בצפיפות הרכיבים של המערכות האלקטרוניות, מחפשים המתכננים בדרך כלל דרך שבה יוכלו להתאים סטנסילים למשחת הלחמה דקה בעובי של 0.10 מ”מ על לוח המעגל המודפס, למחברים צפופים במידה שווה עם מישוריות משותפת שלא חורגת מ- 0.10 מ”מ. ואולם, ערך של 0.15 עבור מישוריות משותפת במחבר אינו חריג והיכולת לקבל 0.10 מ”מ הופכת להיות קשה, יותר ויותר, ככל שמספר מגעי המחברים גדל ובמיוחד, עם מחברים ישרי זווית עם פינים בעלי צורה. מצב זה הגביל את מספר האפשרויות למחברים שעמדו לרשות המתכננים, והם נאלצו להשתמש במחברים מרובים כאשר העדיפו להשתמש במדוחבר יחיד, או שהם נאלצו להשתמש בסטנסילים מדורגים. שתי האפשרויות יצרו תוספת של עלות ומורכבות לתכנון המערכת ולתהליך הייצור שלה.

עם זאת, מחקר שנערך על ידי החברות Samtec ו- Phoenix Contact, מראה שעל ידי ביצוע התאמה באופטימיזציה של חריר סטנסיל ההלחמה, המתכננים יכולים להשתמש במחברי מישוריות משותפת של 0.15 מ”מ, שהם נפוצים במידה נרחבת ויקרים פחות, עם הסטנסילים העדינים יותר, של 0.10 מ”מ, ועדיין לעמוד באמות המידה של תקן IPC-J-STD-001 Class 2 לתפוקה של 100%.

מאמר זה עוסק ביחס שקיים בין סטנסילים לבין מישוריות משותפת של מחברים ובתיאור הפשרות והמגבלות שעומדות בפני המתכננים. לאחר מכן, נפרט את תהליך המחקר ותוצאותיו, ואת ההשפעה שיש לתוצאות אלו בנוגע להתאמה באופטימיזציה של התכנון, מבחינת עלות, מקום, ביצועים ואמינות.

היחס שקיים בין סטנסילים לבין מישוריות משותפת של מחברים

לא קשה מדי למקם באופן מדויק ריבוע (brick) עדינה של משחת הלחמה באמצעות סטנסילים שעברו עיבוד שבבי מדויק. עם זאת, ההתאמה של המחבר להלחמה זו שנוצרה בסטנסיל באופן מדויק הופכת להיות קשה עוד יותר, בגלל המספר הגדל והולך של פיני המחבר, בגלל המקום שבו צריך לקבוע אותם ובשל צורתם, למשל עבור חיבורים בזווית ישרה. הבעיה העיקרית היא המישוריות המשותפת של פיני המחבר.

המונח “מישוריות משותפת” מתייחס, פחות או יותר, למרחק המרבי בין המוליך או הפין הגבוה ביותר לבין המוליך או הפין הנמוך ביותר, כאשר המחבר מוצב על גבי משטח שטוח. ערך זה נמדד בדרך כלל באמצעות ציוד מדידה אופטי (איור 1, משמאל).

איור 1: מישוריות משותפת היא הערך של השתנות גובה המוליכים המרבית הנמדד מעל משטח שטוח וחיוני ביותר לשמור שערך השתנות זה יהיה הקטן ביותר האפשרי עבור מוליכים של התקן SMT, על מנת למנוע בעיות של חיבורים (מימין למטה). (מקור התמונה: Samtec בע”מ).

מישוריות משותפת טובה חיונית ביותר לחיבורי הלחמה טובים: אם פין או מוליך נמצא גבוה מדי, הוא עלול לא ליצור מגע טוב מספיק עם משחת ההלחמה, והתוצאה יכולה להיות חיבור חלש מבחינה מכנית או מגע חשמלי מנותק לחלוטין. לפי רוב המפרטים, יש צורך במישוריות משותפת בין 0.10 מ”מ לבין 0.15 מ”מ.

בעזרת התהליך הנכון והכלים מתאימים אפשר ליצור באופן עקבי מחברים שמתאימים לרוב היישומים עם מישוריות משותפת של 0.15 מ”מ. ואולם, קשה יותר להשיג מישוריות משותפת של 0.10 מ”מ מפני שמספר הפינים גדל, במיוחד כאשר מדובר בצורה ובעיצוב מתקדמים של פיני המחבר לזוויות מסוימות, למשל בשורה כפולה ובזווית ישרה. שמירה על ערך כה נמוך של מישוריות משותפת, יכולה לגרום לעלויות גבוהות יותר של המחבר.

עם מעגלים אלקטרוניים גדולים שמכילים כיום יותר מ- 3000 רכיבים, והתקנים אלקטרוניים משולבים יותר וקטנים יותר, שמוסיפים אילוצי מקום הדוקים יותר (וכתוצאה מכך, לשימוש ברכיבים עם מרווחי מגעים זעירים יותר), מתכננים צריכים לקחת בחשבון לעתים קרובות יותר את השימוש בסטנסילים בעובי 0.10 מ”מ. אם הסטנסיל יהיה עבה אך במעט יותר, יש סיכון גדול יותר שיהיה מגע (גשר) של הלחמה בין מוליכים או רפידות מגע (pad). אך עדיין קיים הקושי לאתר מחברים שעומדים בדרישות המפרט למישוריות משותפת של 0.10 מ”מ, עם מספר פינים מספיק ועם גורמי צורה של פינים מתאימים.

ולמרות אלו, יש למתכננים כמה אפשרויות. הם יכולים להשתמש בגישה של סטנסיל מדורג, עם סטנסיל דק יותר עבור הרכיבים עם מרווח מגעים קטן ובסטנסיל עבה יותר עבור המחבר. אמנם הבעיה נפתרה אם כי בעלות גבוהה יותר של הסטנסיל, וכמו כן הפתרון עלול לא להתאים ליישומים שבהם אין מספיק מרווח בין רכיבים משני צדי המדרגה. על פי כלל האצבע הכללי, בין חרירים מדורגים יש צורך במרווח של גדול פי 36 יותר מעובי המדרגה.

אפשרות אחרת היא להשתמש במחברים מרובים. עם מספר קטן יותר של פינים. באפשרות זו קל יותר למחבר לעמוד בדרישות הקשוחות ביותר של מפרט המישוריות המשותפת. עם זאת, המשמעות של מחברים רבים יותר היא עלויות רבות יותר, ונוספות גם בעיות הקשורות במורכבות של מערך הנחת הרכיבים ובאמינות. כמו כן, שעה שמחבר יכול לעמוד בדרישות מישוריות משותפת של 0.10 מ”מ, סטנסיל של 0.10 מ”מ גורם לנפח חומר הלחמה קטן יותר, שמוביל לחיבור מכני חלש יותר, באופן פוטנציאלי.

איך להתאים באופטימיזציה את חריר הסטנסיל

כדי לבדוק אם אפשר להקטין עוד את הפשרות האלו, Samtec ו- Phoenix Contact חקרו את ההשפעות הכרוכות בשינוי החרירים בסטנסיל, בשלוש סדרות של מחברים. הם השתמשו בסטנסיל של 0.15 מ”מ עם חריר של 1:1, כך שחומר ההלחמה שנוסף היה מאותו גודל ובאותה צורה כמו זה המשמש ברפידת הנחושת. לאחר מכן, הם הוסיפו שתי גרסאות סטנסיל של 0.10 מ”מ עם חרירים מוגדלים. בהמשך, נבנו ונבחרו מחברים עבור המחקר, בהתבסס על ערכי מישוריות משותפת בין 0.10 מ”מ לבין 0.15 מ”מ.

המחקר היה כרוך בהתאמה של גודל החריר מעבר לגודל של רפידת המגע (חפיפה), על מנת להגדיל את נפח חומר ההלחמה וכדי ליצור חיבור טוב יותר, אבל לא במידה כזו שיגרום לחיבור לא תקין (גישור) או שישאיר כדוריות חומר הלחמה על משטח המעגל. על מנת להשיג זאת, הסתמך המחקר על הנטייה שיש לחומר הלחמה להתאחות על גבי רפידת ההלחמה המחוממת ברגע שהוא מגיע לטמפרטורת ההתכה שלו במהלך הלחמת הגל. עדיין, נותר הצורך לקבוע את גודל החריר המתאים עבור כל סוג מחבר (איור 2).

איור 2: קו המתאר הכתום מציג את ממדי החריר הטובים ביותר עבור מחבר FTSH.
(מקור התמונה: Samtec Inc.)

לדוגמה, החריר האופטימלי שיכול להבטיח חיבור טוב של חומר הלחמה בין מחבר FTSH שבדוגמה, לבין מישוריות משותפת של 0.152 מ”מ וסטנסיל של 0.10 מ”מ, הוא חריר בגודל 2.84 מ”מ x 0.97 מ”מ. התוצאה שתתקבל היא חיבור באיכות גבוהה שעומד בתקן IPC-J-STD-001 Class 2 עבור תפוקה של 100% (איור 3).

איור 3: דוגמה של מחבר FTSH עם מישוריות משותפת של 0.152 מ”מ שהולחם באמצעות סטנסיל בעובי 0.10 מ”מ עם חרירים שעברו התאמה באופטימיזציה מציגה חיבור באיכות גבוהה, הן בשורה הפנימית (משמאל) וגם בשורה החיצונית (מימין). (מקור התמונה: Samtec Inc.)

בהתבסס על תוצאות אלו, ברור שאותם מתכננים שעובדים עם סטנסילים של 0.10 מ”מ צריכים לשקול שנית אם להשתמש במחברים שיש להם ערכי מישוריות משותפת מרבית של 0.15 מ”מ. אם ייקבע שחריר הסטנסיל האופטימלי מאפשר לקיים את השילוב, תיפתח בפנינו האפשרות להשתמש בטווח מקיף של מחברים מהמדף, ונוכל להימנע משימוש בחלופות מגבילות או יקרות. אם לא ניתן להשיג את החריר האופטימלי באופן מקוון או שהוא טרם נקבע, חשוב ליצור קשר עם יצרן מחברים בשלב מוקדם של תהליך התכנון, על מנת לקבוע מהו החריר האופטימלי או למצוא פתרון מתאים יותר עבור כל יישום שהוא.

המפתח הוא ליצור קשר בשלב מוקדם. ככל שמתקדמים יותר בתהליך התכנון כך מוגבלות יותר האפשרויות.

מסקנות

מתוך הכרה בפשרות והקשבה לבקשת הלקוחות לסטנסילים קטנים והולכים כל הזמן ולמישוריות משותפת שהופכת הדוקה יותר כל העת, אנשי צוות המחקר והפיתוח ב- Samtec וב- Phoenix Contact התאספו ומצאו דרך לשפר את חריר הסטנסיל, כך שאפשר יהיה להשתמש במחברים בעלי מישוריות משותפת של 0.15 מ”מ עם סטנסילים של 0.10 מ”מ. התוצאה המתקבלת מחברת את הטוב בשני העולמות: סטנסילים הדוקים של 0.10 מ”מ, אפשרויות רבות יותר של מחברים, עלות נמוכה, מורכבות פחותה וחיבורים חזקים מבחינה מכנית, שעומדים באמות המידה של תקן
IPC-J-STD-001 Class 2.

המחבר:

David Decker

דירקטור, קבוצת עיבוד חיבורי ביניים,

Samtec, Inc.

www.samtec.com

דיוויד דקר [David Decker] נושא בתואר מאסטר בהנדסה מכנית מאוניברסיטת Speed Scientific School בלואיסוויל, שאותו קיבל בשנת 1993 וברשיון הנדסה מקצועי שאותו קיבל בשנת 1998. לאחר שהחל את הקריירה שלו כמהנדס מכשור ליציקה בהזרקה, בחברת Lexmark, ולאחר מכן במכשירים אלקטרוניים כלליים, דיוויד עבר לחברת Samtec, שבה הוא עובד כבר 22 שנים בתפקידים שונים בתכנון מוצרים חדשים, בתכנון מוצרים בהתאמה אישית ללקוח והוא משמש כדירקטור של קבוצת עיבוד חיבורי ביניים מזה 15 שנים. דיוויד נושא גם בתפקיד בדרגת סגן בדיביזיית המילואים של משרד השריף במחוז Clark, שבה הוא משרת מזה 9 שנים.