האם כדאי לתכנן מעגלים אלקטרוניים עם הרכיב האלקטרוני הקטן בעולם היום 008004 ואיך לעשות זאת נכון?
לפני מספר חודשים פנה אלי שחר מהנדס חומרה בחברה הייטק שמפתחת משקפי מציאות מדומה. “אלו משקפים מיוחדים שיכולות להשתלב בקונסולות משחק שקיימת במאות מיליוני בתים בעולם” הוא אמר בהתלהבות “מדובר בטכנולוגיה חדשנית שתאפשר חווית צפייה ומשחק שונה לחלוטין ממה שקיימת היום”. בהמשך השיחה הוא ציין שכעת הם נמצאים בעיצומו של פיתוח המעגל האלקטרוני המרכזי במוצר לאחר שכבר בוצעה התכנות מוצלחת באמצעות מעגל אבולואציה. על פניו נשמע מבטיח ואז הוא סייג את עצמו ואמר כי הבעיה שלהם היא שכיוון שמדובר במעגל עם מגוון רחב של יישומים מחד אך בשטח קטן מאוד מאידך, אין מקום על הכרטיס למיקום של כלל הרכיבים האלקטרוניים. לאחר שקיבלתי את הפרטים הטכניים של המעגל והרכיבים הבנתי שיש אפשרות לבצע הרכבה זו בהנחה ונשתמש ברכיב האלקטרוני הקטן בעולם היום, האח הקטן של רכיב ה-01005, מדובר ברכיב בגודל רבע מילימטר על שמינית מילימטר המכונה בתעשייה 008004.
המגמה שצוברת תאוצה בשוק האלקטרוניקה של הכנסת פונקציות רבות יותר ברכיבים קטנים יותר לא עוצרת גם בתחום של רכיבי ה- SMT (Surface Mount Technology). השימוש באלקטרוניקה בשנים האחרונות מתרחב למגוון יישומים ואביזרים. האביזרים הניידים שצצים בכל פינה והעניין סביב הפיכת מוצרים דוממים למתקשרים (האינטרנט של הדברים, IOT), מאלצים צורך גובר והולך במימוש פונקציות אלקטרוניות רבות יותר בשטח קטן יותר. 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 רכיבים אלו, חייבים לעבוד יותר מתמיד בשיתוף פעולה צמוד כדי למצוא פתרונות יצירתיים ולא פחות מכך יעילים.
מקסימום פונקציונאליות במינימום שטח
לפני כשלוש שנים החל להופיע לראשונה בעולם, בייצור סידרתי, הרכיב האלקטרוני הקטן בעולם הידוע בכינוי 008004. זהו רכיב שהפך להיות האח הקטן של הרכיב שעד אז היה הרכיב הקטן בקטגוריה שידוע בכינוי 01005. הרכיב החדש הינו במחצית משטחו של 01005 ולכן שימוש בו מאפשר חסכון רב בשטח המעגל. רכיבים אלו שהם לרוב רכיבים פאסיביים (נגדים, קבלים) הינם בעלי מידות ומשקל קטנים במיוחד. הרכיב הוא בלתי נראה לעין אדם ומידותיו הינן: אורך: 0.25 מ”מ, רוחב 0.125 מ”מ. הגובה הינו לרוב 0.125 מ”מ. המרחק בין הפדים של הרכיב הם 0.115 מ”מ ומשקל הרכיב הינו כ- 0.02mg.
אם לא חייבים, עדיף לא להשתמש ברכיב מסוג זה
כטכנולוג במפעל הרכבת מעגלים מודפסים, אני חייב לציין כי עקרונית לא מומלץ להשתמש, לפחות בשלב זה, ברכיבים אלו אלא אך ורק אם אין ברירה והיישומים של המעגל מחייבים בחירת רכיבים אלו כדי לאפשר את פוטנציאליות המוצר בשטח המעגל הדרוש.
אמנם אנו ביצענו במפעל האלקטרוניקה שלנו בפ”ת, הרכבה של עשרות רבות של מעגלים עם רכיבים מסוג זה בהצלחה רבה (איור 1), אך יחד עם זאת יש לנסות עד כמה שניתן במסגרת אילוצי השטח לתכנן את הכרטיס האלקטרוני עם האח הגדול בקטגוריה ה 01005 שהינו פשוט וקל הרבה יותר להרכבה ותחזוקה.
להלן מספר אתגרים בעבודה עם רכיב מסוג 008004
- לא ניתן לתקן את הרכיב ידנית – כתוצאה משטח הרכיב הקטן והמשקל הזעיר לא ניתן להלחים רכיב זה במלחם. לכן, יש לקחת בחשבון שלאחר הלחמת הכרטיס בקו ההרכבה האוטומטי, לא ניתן לתקן ידנית את הרכיב. במידה ונרצה לתקן/להוסיף רכיב זה לאחר ההלחמה נאלץ להרכיב את הכרטיס מחדש.
- מריחה מדויקת במיוחד של משחת ההלחמה – אחד הנתונים החשובים בהצלחה של הלחמת רכיב SMT הוא מריחה נכונה של משחת ההלחמה. הדבר מקבל משנה חשיבות ברכיבים זעירים מסוג 008004. יש להשתמש במסכת מריחה (Stencil) דקה במיוחד (0.075 מ”מ/3 מיל) ולתכנן פתחים במסכה לפי המלצות של יצרן רכיבים. יש לציין כי יתכנו המלצות שונות לרכיבים שונים, אף שהם באותו גודל.
- אחידות ביתר רכיבי הכרטיס – כיוון שהרכיב דורש עבודה מדויקת ועדינה במהלך ההלחמה, יש לבחור בקפדנות את יתר הרכיבים במעגל. יש לצמצם את מגוון סוגי הרכיבים במעגל, כדי לאפשר אחידות ואיזון תרמי בתהליך ההלחמה. לדוגמא: במעגל המכיל רכיב 008004 לא כדאי לשלב גם רכיב BGA גדול וכבד.
- בחירה סלקטיבית של יצרני מעגלים/מרכיבי מעגלים – כיוון שמדובר על טכנולוגיה מתקדמת, מעטים מאוד יצרני המעגלים וכן מרכיבי המעגלים אשר מסוגלים להרכיב בהצלחה רכיבים מסוג זה. לכן, בחירה ברכיב מסוג 008004, מאלצת עבודה עם מספר מצומצם של יצרני עילית, המותאמים לטכנולוגיה.
- מחיר גבוה – המחיר של רכיב ה-008004 כיום, יקר יותר מאשר הרכיבים הגדולים יותר בקטגוריה בכ-50%. על אף זאת, בשנים הקרובות כלל שהשימוש ברכיב ילך ויגבר המחיר יתאזן למחירי יתר הרכיבים בשוק.
איור 1: מעגל מודפס עם רכיב אלקטרוני מסוג 008004 ולידו רכיב אלקטרוני מסוג 01005 – המעגל הורכב במפעל ניסטק מרכז בפ”ת (התמונה נלקחה באמצעות מיקרוסקופ עם הגדלה ביחס של 1:40)
דיוק של 100 מיקרון
המפתח להרכבה איכותית של רכיב 008004 הוא מריחה מדויקת של משחת ההלחמה. יש לוודא מריחת משחת בדיל בצורה מדויקת ביותר. הסטייה המקסימלית היא 100 מיקרון (0.1 מ”מ).
בתהליך העריכה יש לשים לב למספר המלצות:
- יש להגדיר את ספרית הרכיב (footprint) בהתאם להמלצות יצרן הרכיב.
- יש לבצע פתיחה עבור משחת הלחמה (Solder Paste) ביחס של 1:1.
- יש להגדיר את הפדים של רכיב ה-008004 ללא שחרור מ Solder Mask. כלומר בתצורה של SMD (Solder Mask Defined), ולא כמו שנהוג בכל הרכיבים NSMD. (Non Solder Mask Defined). כמו-כן יש לוודא כי בין הפדים מוגדר Solder Mask.
- יש לשמור על מרחק מינימלי של 6 מיל בין שני רכיבים צמודים מסוג 008004.
הלחמת רכיב 008004 בתהליך שאינו תקין עלולה להוביל למספר לא מבוטל של תקלות איכות. תקלות נפוצות בהרכבת רכיב 008004 הן לדוגמא:
- התרוממות רכיב (Tombstone) – הרכיב עלול להתרומם בתהליך ההרכבה. הדבר יכול להתרחש בעיקר עקב סטיות במריחת משחת בדיל וגם עקב השמה לא מדויקת של הרכיב על הפדים.
איור 2: תקלת אפשרית בהרכבת רכיב 008004 – Tombstone
- קצרים (Bridging) – הרכיב עלול להיצמד לרכיב סמוך ולהוות קצר. הסיבה היא חוסר דיוק בתהליך המריחה או ההשמה.
איור 3: תקלת אפשרית בהרכבת רכיב 008004 – Bridging
אפשרי ומאתגר
לאור
מיכאל שניידר, טכנולוג, ניסטק מרכז
המגמה של הגדלת פונקציונליות המוצרים האלקטרונים ובה בעת הקטנת גודלם, המעגלים האלקטרונים נהיים צפויים יותר ויותר. רכיב 008004 לאור שטחו ומשקלו המזעריים יכול להוות פתרון מצוין בהתמודדות עם אתגרים אלו. אמנם הלחמת הרכיב מחייבת התמודדות עם מספר אתגרים טכנולוגיים מורכבים, אך בעזרת הגדרה נכונה של הרכיב במהלך העריכה, הקפדה על תהליך הרכבה מבוקר ובעיקר תהליך מריחה מדויק ניתן בהחלט לקבל תוצאות הלחמה איכותיות ביותר. לאנשים שמפתחים מוצרים אלו, רכיבים אלו יכולים להיות פשוט מתנות קטנות לחלומות גדולים.
