מתנות קטנות

האם כדאי לתכנן כרטיסים עם רכיב 01005 ואיך לעשות זאת נכון?
לפני כשבוע פנה אלי סמנכ”ל פיתוח בחברת הייטק שמפתחת אביזר נייד לביש. “זהו מוצר עם פוטנציאל אדיר שיכול להיות בכל בית בעולם” הוא אמר בהתלהבות “מדובר על מעגל גמיש קשיח עם מגוון רחב של יישומים” הוא המשיך ואז שטח בפני את הדילמה הגדולה שלו “הבעיה היא שהמעגל צפוף במיוחד ונהיה חייבים לוותר על כמה פונקציות חשובות בגלל שפשוט אין מקום על הכרטיס”. שאלתי אותו באיזה גדלים של רכיבים פאסיביים הוא משתמש, אחרי שקיבלתי את התשובה הבנתי שיתכן ויש לנו אפשרות להגשים לו את החלום…
המגמה שצוברת תאוצה בשוק האלקטרוניקה של הכנסת פונקציות רבות יותר ברכיבים קטנים יותר לא עוצרת גם בתחום של רכיבי ה- (Surface Mount Technology). השימוש באלקטרוניקה בשנים האחרונות מתרחב למגוון יישומים ואביזרים. האביזרים הניידים שצצים בכל פינה והבאז הרועש סביב הפיכת מוצרים דוממים למתקשרים (האינטרנט של הדברים, IOT), מביאים לצורך 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
הרכיב הקטן ביותר שנמצא היום בשימוש בשוק האלקטרוניקה ידוע בכינוי 01005. מדובר על רכיב אלקטרוני פאסיבי (נגד, קבל) בעל מידות ומשקל קטנים במיוחד (איור 1). הרכיב הוא כמעט בלתי נראה לעין. מידות הרכיב 01005 הינן: אורך: 0.4 מ”מ, רוחב 0.2 מ”מ. הגובה יכול לנוע בין 0.1 מ”מ (נגד) לבין 0.2 מ”מ (קבל). המרחק בין הפדים הוא 0.13 מ”מ (5 מיל). משקל הרכיב (0.04mg)
מידות הרכיב ברוחב ובאורך הן מחצית ממידות הרכיב הבא אחריו בקטגוריה 0201. לאמור, שטח רכיב 01005 הינו 25% בלבד! מהשטח של רכיב 0201. לאור זאת, רכיב 01005 יכול להימצא בכל מקום בו נדרשת מקסימום פונקציונאליות במינימום שטח. לא זו אף זו, רכיב 01005 בעל משקל נמוך מאוד של 0.04mg בלבד, דבר שהכרחי מאוד במוצרים ניידים הנדרשים להיות קלים ככל האפשר. יתרון משמעותי נוסף של רכיב 01005 הוא יכולת המיקום שלו בצמוד לפינים של רכיב BGA צפוף כדי לקבל סינון מיטבי. כאשר מדובר על BGA צפוף בעל Pitch (מרחק בין רגליים) של 0.5mm ומטה, לא ניתן למקם בין הפינים קבלי 0201 לטובת סינון. קבל מסוג 01005, כתוצאה ממידותיו המזעריות, מאפשר למקמו בין הפינים של רכיב ה-BGA ובכך לאפשר סינון אופטימלי.

לא ניתן לתקן את הרכיב ידנית
מידותיו המזעריות של רכיב 01005 ולא פחות מכך משקלו הקטן (0.04mg) מאלצים מספר אתגרים טכנולוגיים. אמנם ניתן להתמודד איתם בהצלחה ולקבל תוצאות הלחמה איכותיות, אך יחד עם זאת, לא מומלץ לעבוד עם רכיבי 01005 כברירת מחדל. יש לנסות עד כמה שניתן במסגרת אילוצי השטח לתכנן את הכרטיס האלקטרוני עם הרכיב הבא בקטגוריה 0201 שהינו פשוט וקל הרבה יותר להרכבה ותחזוקה.

להלן מספר אתגרים טכנולוגיים בעבודה עם רכיב מסוג 01005
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 האוטומטי לא ניתן לתקן ידנית את הרכיב. במידה ונרצה לתקן/להוסיף רכיב זה לאחר ההלחמה נאלץ לרוב 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 מסוג 01005. יש להשתמש במסכת הלחמה (Stencil) דקה במיוחד (0.25 מיל) ולוודא יחסים אופטימליים בין שטח הפתיחה של החור במסכה, עובי המסכה ומיקום משחת הלחמה במעגל.
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 בתהליך ההלחמה. לדוגמא: במעגל המכיל רכיב 01005 לא כדאי לשלב גם רכיב BGA גדול (שטח רכיב > 25X25 מ”מ)
בחירה סלקטיבית של יצרנים – כיוון שמדובר על טכנולוגיה מתקדמת, מעטים מאוד היצרנים אשר מסוגלים להרכיב בהצלחה רכיבים מסוג זה. לכן, בחירה ברכיב זה מאלצת עבודה עם מספר מצומצם של יצרני עילית המותאמים לטכנולוגיה.
מחיר – המחיר של הרכיב כיום יקר יותר מאשר הרכיבים הגדולים יותר בקטגוריה: 0201 או 0402. בשנים הקרובות כנראה שהשימוש ברכיב ילך ויגבר המחיר יתאזן למחירי יתר הרכיבים בשוק.

דיוק של 100 מיקרון
המפתח להרכבה איכותית של רכיב 01005 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 ספריית הרכיב (footprint) בהתאם להמלצות יצרן הרכיב.
יש לבצע פתיחה עבור משחת הלחמה ׁׁׁׁ(Solder Paste) ביחס של 1:1.
ניתן להגדיר את השחרור מה-Solder Mask בתצורה של SMD או NSMD, יש לוודא כי בין הפדים מוגדר Solder Mask.
יש לשמור על מרחק מינימלי של 7 מיל בין שני רכיבים צמודים מסוג 01005.
הלחמת רכיב 01005 בתהליך שאינו תקין עלולה להוביל למספר לא מבוטל של תקלות איכות. תקלות נפוצות בהרכבת רכיב 01005 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.
קצרים (Bridging) –
הרכיב עלול להיצמד לרכיב סמוך ולהוות קצר. הסיבה היא חוסר דיוק בתהליך המריחה או ההשמה.

מתנות קטנות
לחלומות גדולים
לאור המגמה של הגדלת פונקציונליות המוצרים האלקטרונים ובה בעת הקטנת גודלם, המעגלים האלקטרונים נהיים צפויים יותר ויותר. רכיב 01005 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.