Assemblaggio di componenti miniaturizzati
Riflessioni sull’assemblaggio di componenti ultraminiaturizzati come i MiniLED
di Tim O’Neill (AIM Global Solder Solutions)
L’uso di componenti ultra-miniaturizzati nei dispositivi elettronici è determinato dalla necessità di aumentarne la funzionalità e la compattezza. I componenti SMT (Surface Mount Technology) come 008004/M0201 stanno diventando prevalenti sia nelle applicazioni consumer che in quelle del settore auto grazie alle loro dimensioni ridotte ed efficienza. Allo stesso modo, i componenti MiniLED vengono integrati nei display moderni, migliorandone le prestazioni e l'efficienza energetica.
I produttori stanno innovando di conseguenza il design del PCB, utilizzano tecniche di assemblaggio avanzate e materiali di ultima generazione per affrontare le sfide uniche poste da questi minuscoli componenti. In questo documento abbiamo raccolto le informazioni più recenti proprio per superare le sfide nell'assemblaggio di componenti ultra-miniaturizzati e rispondere alle esigenze dei mercati emergenti.
Figura 1
La rapida implementazione delle tecnologie di illuminazione MiniLED ha portato ad innovare ogni fase del processo di assemblaggio SMT: dalla serigrafia, al posizionamento, alla saldatura. In questo documento, AIM condividerà le conoscenze acquisite in qualità di uno dei maggiori fornitori mondiali di leghe saldanti per il mercato MiniLED. La principale sfida posta da questo tipo di assemblaggio è semplicemente la dimensione del componente. Prima dell’introduzione del MiniLED, il componente più impegnativo che un assemblatore SMT poteva incontrare era uno 01005, che misura circa 400x200 µm, mentre un MiniLED attuale misura 140x100 µm con l’obbiettivo tecnologico di scendere presto a 50x50 µm.
Le dimensioni coinvolte sono al di sotto della soglia visiva per gli esseri umani e introducono nuove considerazioni nel processo di assemblaggio SMT. Per comprendere come la miniaturizzazione dei componenti influisca sulle variabili del processo SMT è necessaria la loro contestualizzazione nel processo esistente.
Considerazioni sul processo
Serigrafia
Il deposito della crema saldante per un componete MiniLED è indubbiamente la sfida maggiore.
Decine, se non centinaia di migliaia di depositi ultra-miniaturizzati devono essere realizzati con precisione micrometrica in una sola passata di racla e senza margine di errore. Per questo è indispensabile riconsiderare ogni aspetto del processo di serigrafia per superare le nuove sfide poste dall'assemblaggio MiniLED. Lo spessore della lamina per serigrafare depositi di 100x100 µm non deve superare i 30 µm per ottenere un’area ratio ottimale per il rilascio.
Un'apertura quadrata di 100x100 µm con una lamina di 30 µm ha un’area ratio di 0,833. Gli studi e i test di AIM hanno confermato che il valore normalmente accettato dall’industria SMT di 0,66 non è idoneo alla serigrafia di MiniLED. Il volume di pasta depositata è così piccolo che è fondamentale depositarne la maggior quantità possibile. Questo garantirebbe una buona connessione di saldatura e può compensare altre variabili di cui avremo modo di discutere.
Figura 2
Angoli arrotondati delle aperture sono imperativi per garantire che residui di pasta non si accumulino negli angoli, con la conseguente progressiva riduzione del volume di pasta depositata. Le lamine devono inoltre avere una finitura superficiale esente da porosità e un taglio laser il più liscio possibile e con una variazione di spessore contenuta. Su uno spessore di 30 micron, una variazione di 3 micron è già una tolleranza del 10%. Non solo gli stencil devono essere straordinariamente sottili, ma devono anche essere eccezionalmente planari. È da notare che stencil così sottili sono molto delicati e possono essere facilmente danneggiati. Questo significa che gli stencil dovranno essere ispezionati regolarmente per verificare la loro costante integrità.
Infine, il nano-rivestimento è indispensabile per migliorare il trasferimento della pasta. Quando si stampano depositi così piccoli, lo spessore del nano-rivestimento può introdurre un’ulteriore variabile da stencil a stencil. Questa variabilità può causare problemi di tenuta (gasketing) dello stencil, portando a depositi errati. Potrebbe essere quindi necessario specificare non solo il rivestimento, ma anche il suo spessore. Un processo serigrafico di successo per i MiniLED richiede attrezzature dedicate che garantiscano la planarità e la stabilità del circuito durante la fase serigrafica. Si dovrebbe utilizzare il vuoto per fissare e rendere planare il circuito. I pin di fissaggio sono inadeguati con queste dimensioni e altamente sconsigliati.
Crema Saldante
La crema saldante utilizzata nella serigrafia dei MiniLED richiede sfere di Tipo 6 (T6) e più fini. Creme saldanti con sfere così piccole, alterano ogni aspetto del suo comportamento.
Per capire perché ciò accade, è necessario comprendere bene l'impatto della riduzione della dimensione delle sfere.
Figura 3
Il Tipo 4 (T4) è stato lo standard per l'assemblaggio SMT per quasi un decennio ed è ben conosciuto. La composizione chimica del flussante di saldatura e tutti gli altri processi SMT si sono sviluppati attorno alle caratteristiche delle sfere di saldatura senza piombo di Tipo 4 (T4) (tipicamente SAC305). Passare alle sfere T6 ha un impatto profondo sul rapporto superficie-volume. La Figura 2 dimostra questa relazione anche se grossolanamente semplificata e non tengono conto delle variabili di produzione più comuni ad es. le variazioni nella dimensione delle sfere, ecc.
Figura 4
Gli studi dimostrano che l’area può aumentare da 250 a 1000 volte quando la dimensione delle sfere viene ridotta da T4 a T6. Questo rapporto è amplificato quando vengono utilizzate sfere di tipo 7 (T7). Il comportamento della crema saldante varia maggiormente da T6 a T7 rispetto a quanto varia da T4 a T6. T6 rappresenta il limite della produzione "normale" di sfere per creme per saldatura, mentre sfere di tipo 7 (T7) e sfere più fini richiedono un nuovo approccio. Per l'assemblatore, questo significa che le creme avranno una disponibilità limitata (scelte di leghe), costi aggiuntivi e saranno necessarie modifiche alle attrezzature e ai processi di assemblaggio esistenti.
Processo di serigrafia con crema saldante
Alla serigrafia sono attribuiti da sempre la maggior parte dei difetti di una scheda in un processo SMT tradizionale. Questo vale anche per l'assemblaggio dei MiniLED. È più difficile ottenere precisione, ripetibilità e buona qualità dei giunti quando si lavora con depositi di crema saldante misurati in micron. Pensiamo che la dimensione media delle sfere della crema saldante T4 è di 38µm, mentre la dimensione dei componenti MiniLED è di 100x100µm, quindi più piccoli di TRE SFERE di crema saldante T4 comunemente usata nell'assemblaggio SMT odierno.
Figura 5
Abbiamo visto che per la serigrafia dei MiniLED sono necessarie paste con sfere T6 e più fini. Possono esserci fino a 20.000 depositi di pasta su un singolo PCB, mentre la densità dei componenti sulla scheda è molto bassa. Questo comporta un alto numero di passate della crema saldante sulla lamina con poco consumo di crema ad ogni passata delle racle. Inoltre, la crema saldante T6 è costosa e di conseguenza si tende a recuperarla e conservarla a rischio della qualità del processo. Tuttavia, le creme T6 hanno una vita che può essere del 50-75% più breve rispetto alle loro corrispondenti T4. Questo perché maggior numero di sfere significa maggiore superficie esposta che interagisce costantemente con il flussante, introducendo maggiore variabilità nelle prestazioni della pasta. Per superare il problema, le paste saldanti progettate per le applicazioni MiniLED sono tipicamente confezionate in quantità più piccole rispetto alle creme saldanti standard. Gli utilizzatori, quindi, tendono a consumare il prodotto entro la data di scadenza e a rifornirsi più frequentemente di crema saldante appena prodotta, il che aiuta anche a ridurre gli scarti e a garantire prestazioni di serigrafia costanti.
Figura 6
I parametri di base della macchina serigrafica come la velocità delle racle, la pressione, ecc., possono essere stabiliti con un test di serigrafia standard DOE*.
È obbligatorio utilizzare attrezzature dedicate e/o il vuoto per sostenere il substrato. I substrati per applicazioni che prevedono l’utilizzo di MiniLED tendono ad essere molto sottili, devono essere supportati in modo planare e non devono muoversi Qualsiasi variazione di altezza nell'area serigrafata porterà a difetti nelle fasi successive. Questo è dovuto alla dimensione ridotta dei depositi e dalle tolleranze coinvolte. Ad esempio, una variazione di 10µm da spigolo a spigolo sul PCB ridurrà il volume della pasta saldante depositata di oltre il 30%.
Lo stencil utilizzato per serigrafare aperture così piccole è meno di un terzo dello spessore di uno comunemente usato nell’assemblaggio SMT, con 30µm rispetto a 100µm. Pochi fornitori offrono lamine di questo tipo con la tecnologia di produzione ancora in fase di sviluppo. La tolleranza sullo spessore, che si evince dai dati di fabbrica, è di circa 2-3µm e rappresenta fino al 10% di variazione nel volume del deposito di crema. Lo stencil utilizzato per questo studio ha uno spessore di 30µm con aperture di 100x150µm con angoli arrotondati. Il nano-rivestimento non è stato applicato poiché l’area ratio era ben al di sopra di 0,66 e considerato, quindi, non necessario. La decisione di non applicare il nano-rivestimento è stata influenzata dal fatto che l’eventuale variazione di spessore del rivestimento avrebbe portato più svantaggi rispetto ai vantaggi produttivi dei quali abbiamo parlato precedentemente. Con il crescere dello storico e dell’esperienza il nano-rivestimento potrebbe essere incluso per definizione nei progetti futuri.
Figura 7
Il PCB rappresenta la variabile di input più significativa nel processo serigrafico dei MiniLED. La quantità di variabili dei materiali e l'effetto delle dimensioni si concentrano sul substrato. Le rappresentazioni in sezione trasversale nella Figura 7 mostrano l'impatto che una singola variazione dimensionale può avere sulle prestazioni di serigrafia. In questo caso, lo spessore della pad è stato ridotto da 20µm a 5µm e il volume del deposito di crema saldante viene drasticamente alterato. Il solder mask ha uno spessore di 55-60µm, diventando un problema al variare delle altre dimensioni. In questo caso, se la pasta non entra bene in contatto con la pad, si verificano variazioni significative nella qualità del deposito.
In Figura 7, il deposito di pasta saldante dovrebbe essere 30µm, secondo lo spessore dello stencil. Tuttavia, non è così poiché non c'è controllo sulla crema saldante che cade tra il solder mask e la pad. Inoltre, l'immagine non include la pasta che si spande tra le pad, dove non c’è solder mask come si vede in Figura 8.
I potenziali difetti che ne derivano sono: depositi mancanti, corti, tombstoning ecc. solo per citarne alcuni.
Figura 8
Ispezione della crema saldante
L'Ispezione della Pasta Saldante (SPI) è fondamentale per sviluppare e monitorare un processo di serigrafia MiniLED. Il primo passo è valutare le caratteristiche delle attrezzature esistenti e verificarne l’idoneità. Spesso sono necessari aggiornamenti, come mostrato in Figura 9.
Figura 9
Inoltre, i dati impostati per la raccolta da analizzare sono diversi da quelli tipicamente generati in un processo SMT standard. Poiché le dimensioni sono così piccole, è normale vedere una gamma molto più ampia di variazioni. Depositi del 200% del volume teorico sono frequenti e addirittura depositi del 400% o più del volume teorico, hanno formato giunti di saldatura più che accettabili. Questo perché depositi di soli 30µm possono facilmente crescere in volume a causa di tutte le variabili elencate in precedenza. Considerando un gap di 50µm tra lo stencil e la pad, con lo stencil di soli 30µm, a seconda della reologia della pasta, dell'allineamento dello stencil e della variazione del solder mask, ogni deposito può deviare significativamente dal volume previsto e variare da un deposito all'altro anche con le stesse dimensioni dell'apertura. Vedi Figure 10 e 11.
Figura 10
Figura 11
Posizionamento dei componenti
Molti modelli di Pick&Place attuali si stanno rivelando inadeguate per soddisfare i requisiti di produttività per i MiniLED. Non solo i componenti sono ultra-miniaturizzati, ma ci sono almeno 4000 posizionamenti da eseguire su una scheda di 150mm x 200mm. L'attrezzatura deve essere sia ultra-veloce che ultra-precisa. Tuttavia, non è necessario che sia molto flessibile, poiché migliaia di componenti identici vengono posizionati ripetutamente. Nuove tecnologie per il posizionamento dei MiniLED sono state sviluppate per soddisfare i criteri di questo nuovo mercato.
Saldatura a convezione forzata
Le creme T6 e più fini richiedono un ambiente di rifusione a basso contenuto di ossigeno. Tipicamente, meno di 500 ppm di ossigeno, garantiranno che la crema saldante mostri una buona coalescenza e bagnabilità. Il profilo di rifusione dovrebbe essere ottimizzato per la massa dei componenti e dell’assieme. Poiché i depositi di crema sono così piccoli, è possibile che il flussante evapori molto rapidamente. Le schede MiniLED sono tipicamente a bassa massa termica e possono essere processati con un ciclo di rifusione veloce, dato che il ΔT da gestire è molto contenuto. Il profilo risultante può essere ridotto a tre minuti. È importante ricordare che la qualità del giunto di saldatura dovrebbe determinare il profilo in uso, e non la scheda tecnica della crema saldante (TDS).
Poiché il deposito di saldatura rifuso è molto piccolo, è difficile applicare i criteri standard di valutazione della qualità del giunto di saldatura. Giunti ben bagnati con un menisco concavo potrebbero semplicemente non essere presenti o visibili durante l'ispezione dei MiniLED dopo la rifusione. Per garantire l’integrità del giunto sono stati utilizzati sezionatura trasversale e test di trazione. Vedi Figura 8 come esempio.
Figura 12
Oltre alla saldatura a convezione forzata, sono in fase di test metodi di saldatura che non richiedono un ambiente di rifusione inerte e riducono il tempo del ciclo di rifusione da minuti a secondi. Questo consente l'uso di nuovi materiali su cui saldare i MiniLed, tra cui il polietilene tereftalato (PET), che ridurranno drasticamente i costi e amplieranno le applicazioni per l'implementazione dei MiniLED.
Conclusioni
Il futuro dei MiniLED è promettente, anche se la tecnologia è ancora agli inizi. Al momento, il mercato principale è quello dei display, ma si stanno aprendo opportunità anche in altri settori. Immaginiamo qualsiasi superficie diventare un display o una fonte di luce. Anche i settori dell'automotive, dell'illuminazione industriale e commerciale sono settori in crescita per questo tipo di componenti e continueranno a progredire man mano che si acquisiscono esperienza e know-how.
*Design Of Experiments è un metodo di pianificazione degli “esperimenti” che si basa sull’impiego dell’analisi statistica. Lo scopo è quello di definire le relazioni esistenti tra un set di variabili in input (ad es. variabili di processo, componenti di una miscela, temperatura, umidità, etc.) e le proprietà finali (variabili in uscita) di uno specifico sistema assunte come variabili dipendenti. L’obiettivo del DOE è quello di ottenere modelli previsionali che descrivano tali correlazioni.