Assemblaggio PCB: i componenti più critici e vulnerabili

La fase di assemblaggio di un circuito stampato, nota anche con l'acronimo PCBA (Printed Circuit Board Assembly) è il processo con cui i diversi componenti necessari per realizzare un circuito elettronico vengono posizionati sul PCB per essere sottoposti alla successiva fase di saldatura. PCBA rappresenta dunque una delle numerose fasi su cui si articola il processo di produzione di un circuito stampato e, come tale, presenta alcune criticità legate soprattutto ai componenti, che verranno ora analizzate in dettaglio.

Tecniche di assemblaggio

Nel corso degli anni, le tecnologie elettroniche si sono evolute a un ritmo sostenuto, influenzando di riflesso le tecniche richieste per l'assemblaggio dei PCB. In generale, possiamo distinguere due tecnologie principali utilizzate per l'assemblaggio dei circuiti stampati, alle quali se ne aggiunge una terza ottenuta come combinazione delle precedenti.

Montaggio superficiale

Nota anche come SMT, dall'acronimo Surface Mount Technology, questa tecnica consiste nel posizionamento sul circuito stampato dei componenti a montaggio superficiale (SMD). I componenti SMD hanno package standard di dimensioni molto ridotte e, pertanto, sono particolarmente sensibili e critici durante la fase di assemblaggio (posizionamento e temperatura raggiunta durante la saldatura devono essere attentamente controllate). Gli attuali macchinari per l'assemblaggio superficiale utilizzano tecniche completamente automatiche (come il pick and place) in grado di prelevare i singoli componenti, posizionandoli poi sul PCB con estrema accuratezza. Un componente SMD, come nel caso del package 01005, può raggiungere dimensioni anche più piccole della punta di una matita (si osservi la Figura 1).

Figura 1: tabella dimensioni package SMD

Montaggio a foro passante

Nota anche con il termine THT, acronimo di Thru Hole Technology, questa tecnologia rappresenta la tecnica tradizionalmente utilizzata per l'assemblaggio dei PCB. Essa si applica ai componenti (condensatori, bobine, trasformatori, ma anche resistenze e induttanze di grandi dimensioni) dotati di due o più terminali predisposti in fase di fabbricazione per attraversare i fori praticati sul PCB. La saldatura viene eseguita sul lato da cui fuoriescono i terminali. Mentre la tecnologia SMT è più adatta ai componenti di piccole dimensioni, il montaggio con foro passante consente l'assemblaggio di componenti anche molto grandi.

Tecnologia mista

I circuiti elettronici di ultima generazione hanno raggiunto un elevato grado di complessità, integrando un elevato numero di componenti in uno spazio sempre più ristretto. Non è sempre possibile, oggi, eseguire un PCBA contenente un solo tipo di componenti (SMD o PTH), mentre è sempre più diffuso l'utilizzo combinato di tecnologie SMT e THT nella fase di assemblaggio, le quali devono essere opportunamente regolate e sequenziate in modo da semplificare sia l'assemblaggio sia la successiva saldatura.

Criticità nei componenti

Nella maggior parte dei casi, quando una scheda presenta dei malfunzionamenti questi sono imputabili a uno o più componenti. Diventa quindi importante, ai fini di ottenere un assemblaggio rapido e privo di difetti, determinare quali siano i principali fattori critici dei componenti e la loro capacità di causare malfunzionamenti.

Umidità

L'umidità rappresenta una delle principali minacce per i componenti elettronici assemblati sui PCB. Essa si può formare sia durante la fabbricazione del componente, sia durante le varie fasi di costruzione della scheda. Inoltre, il circuito stampato e i componenti su esso assemblati possono essere soggetti a fenomeni di condensazione, tipicamente prodotti quando le schede sono riposte in contenitori la cui temperatura è inferiore a quella dell'ambiente esterno. L'elevata sensibilità nei confronti dell'umidità di alcuni componenti deve pertanto essere accuratamente valutata durante la selezione dei componenti stessi.

Temperatura

Nei settori industriale, automotive e trasporti, i PCB devono operare in condizioni ambientali estreme, dove temperatura, pressione e corrosione possono alterare il funzionamento dei componenti e del circuito. Tenendo presente che in numerosi contesti il range di temperatura esteso è mandatorio, occorre sempre valutare con attenzione gli effetti prodotti dalla temperatura, selezionando componenti robusti e adottando opportune tecniche di gestione termica, attive o passive, atte a contenere le temperature di esercizio dei componenti.

Picchi di tensione e di corrente

Picchi di tensione e di corrente prodotti dalle linee di alimentazione, da errori di progettazione, dal degrado di qualche componente oppure (nel caso di circuiti di alta potenza) dalla formazione di veri e propri archi elettrici possono distruggere irrimediabilmente i componenti più vulnerabili e non opportunamente protetti.

Radiazioni

Nella maggior parte dei casi, gli aspetti legati alle radiazioni si limitano a contenere al minimo gli effetti prodotti dalle radiazioni elettromagnetiche (EMI). Questo aspetto è molto importante, poiché, se trascurato, può condurre a problemi di integrità del segnale, fino al punto in cui la trasmissione affidabile di un segnale ad elevata velocità tra due punti del circuito non è più possibile. Nel caso di PCB installati su veicoli spaziali, dove l'affidabilità deve essere estrema, gli effetti prodotti dalle radiazioni sui componenti elettronici possono provocare danni significativi.

Sollecitazioni meccaniche

L'assemblaggio di PCB destinati ad applicazioni nei settori industriale, aerospaziale e automotive (per citare i principali) deve tenere in debita considerazione gli aspetti legati alle sollecitazioni meccaniche. Queste includono urti e vibrazioni in grado di flettere o rompere il circuito stampato, ma anche provocare il distacco parziale dei componenti più sensibili dal punto di vista meccanico o con il maggiore peso.

Periodo di vita

Come effetto della rapida evoluzione delle tecnologie elettroniche, i componenti hanno un periodo di vita limitato, trascorso il quale diventano obsoleti o, come si usa dire, passano in "end of life" (EOL). Se si ignora questo aspetto, continuando a utilizzare nei propri progetti componenti che si trovano nello stato EOL, si incrementano significativamente le probabilità di guasto o malfunzionamento dovute a usura e stress fisico o meccanico. Essendo ormai superati dai nuovi progressi tecnologici e non più aggiornati, i componenti in EOL non saranno presumibilmente in grado di soddisfare i nuovi requisiti prestazionali, funzionando con maggiori margini di errore e maggiore probabilità di guasto.

Alcuni consigli per l'assemblaggio

Dopo aver analizzato l'impatto sull'assemblaggio di alcune criticità legate ai componenti, verranno ora presentate alcune buone regole di progettazione in grado di semplificare e migliorare la qualità del PCBA.

1 - Utilizzo di tecnologie miste

La regola generale è quella di ridurre al minimo l'utilizzo di tecnologie di assemblaggio miste, limitandolo a casi particolari. Ad esempio, il vantaggio derivante dall'inserimento di un singolo componente through hole (PTH) non è quasi mai ripagato dal costo e dal tempo addizionali richiesti per l'assemblaggio. È invece preferibile, e più efficiente, utilizzare componenti PTH multipli, oppure eliminarli completamente dal progetto. Nel caso sia richiesto l'utilizzo della tecnologia PTH, si consiglia di posizionare tutti i componenti through hole sulla stessa faccia del circuito stampato, riducendo così i tempi richiesti per l'assemblaggio.

2 - Dimensione dei componenti

Durante la fase di progettazione del PCB è importante selezionare la dimensione di package corretta per ogni componente. In linea generale, i package di dimensione più ridotta andrebbero scelti solo quando vi sia un valido motivo; in caso contrario, orientarsi verso package di dimensioni maggiori. Molto spesso, infatti, i progettisti elettronici selezionano componenti con package inutilmente piccolo, creando possibili problemi durante la fase di assemblaggio ed eventuale modifica del circuito. In base all'entità della modifica richiesta, in alcuni casi risulta più conveniente assemblare nuovamente un’intera scheda, piuttosto che rimuovere e saldare i componenti richiesti.

3 - Footprint dei componenti

Il footprint dei componenti è un altro aspetto rilevante per l'assemblaggio. Il progettista del PCB deve pertanto accertarsi che ogni footprint sia accuratamente creato, basandosi sul land pattern specificato nel datasheet di ogni componente integrato. Il principale problema causato da un footprint incorretto è l'insorgenza del cosiddetto "tombstoning", noto anche come effetto Manhattan o effetto coccodrillo. Questo problema, che si verifica quando una quantità di calore non uniforme viene applicata a un componente integrato durante la saldatura, fa sì che lo stesso rimanga attaccato al PCB solo da un lato, anziché su entrambi. Il tombstoning, che colpisce soprattutto i componenti SMD passivi come resistenze, condensatori e induttori, è causato dal riscaldamento non uniforme dovuto a:

• dimensioni non corrette dei land pattern associati ai componenti;
• differenti ampiezze delle tracce collegate ai due pad del componente;
• larghezza della traccia molto ampia, che si comporta così come dissipatore di calore.

4 - Spaziatura tra i componenti

Una delle principali cause di cattivo funzionamento del PCB è il surriscaldamento determinato dallo spazio insufficiente tra i componenti. Lo spazio è una risorsa critica, soprattutto nel caso di circuiti ad elevata complessità che devono soddisfare requisiti molto sfidanti. Posizionare un componente troppo vicino ad altri componenti può creare diversi tipi di problemi, la cui gravità può anche richiedere modifiche al progetto del PCB o al processo di fabbricazione, con conseguente perdita di tempo e maggiori costi.

Quando si utilizzano macchine per l'assemblaggio e il test automatici, occorre accertarsi che ogni componente sia posto a una distanza sufficiente dalle parti meccaniche, dai bordi della scheda e da tutti gli altri componenti. Componenti troppo vicini tra loro, oppure ruotati in modo incorretto, sono fonte di problemi durante il processo di saldatura a onda. Se ad esempio i componenti più alti precedono quelli con altezza inferiore lungo il percorso seguito dall'onda, può crearsi un effetto "ombra", con conseguente indebolimento delle saldature. I circuiti integrati ruotati in posizione perpendicolare tra loro possono causare lo stesso effetto.

5 - Aggiornamento della lista componenti

La lista dei componenti (BOM) è un fattore chiave sia per la fase di progettazione, sia per quella di assemblaggio del PCB. Infatti, se la BOM contiene degli errori o delle imprecisioni, c'è il rischio che la fase di assemblaggio venga sospesa dal produttore sino a quando questi problemi non siano stati risolti. Un modo per assicurarsi che la BOM sia sempre corretta e aggiornata, è quello di fare un'accurata revisione della stessa ogni volta che il progetto del PCB viene aggiornato. Se ad esempio si aggiunge al progetto originale un nuovo componente, occorre verificare che la BOM venga aggiornata e mantenuta allineata inserendo i valori corretti di part number, descrizione e valore del componente.

6 - Utilizzo dei fiducial

I fiducial, noti anche come fiducial marker, sono forme arrotondate di rame che fungono da punti di riferimento per le macchine di assemblaggio pick and place. I fiducial consentono a queste apparecchiature automatiche di riconoscere l'orientamento della scheda e di assemblare correttamente i componenti a montaggio superficiale con passo ridotto come Quad Flat Package (QFP), Ball Grid Arrays (BGA) o Quad Flat No-Lead (QFN).

I fiducial si suddividono in due classi: fiducial marker globali e locali. I fiducial marker globali sono posizionati sul bordo del PCB, consentendo alle macchine pick and place di rilevare l'orientamento della scheda sul piano X-Y. I fiducial marker locali, posti in prossimità degli angoli dei componenti SMD quadrati, sono invece utilizzati dalle macchine pick and place per localizzare con precisione il footprint di un componente, riducendo i relativi errori di posizionamento durante l'assemblaggio. I fiducial rivestono un ruolo fondamentale quando il progetto contiene molti componenti posti a breve distanza tra loro. In Figura 2 è visibile la scheda Arduino Uno assemblata, con evidenziati in rosso due global fiducial.

Figura 2: esempio di global fiducial