Réponse directe
Les tendances en matière d'électronique grand public et de smartphones augmentent le risque d'assemblage SMT grâce à des empilements PCB plus fins, des pas de composants plus fins, des BGA plus grands et des exigences en matière de matériaux sans plomb. Vous évaluez ce risque en examinant l'empilement PCB pour le potentiel de déformation, en vérifiant la coplanarité BGA et les notes MSL, en validant la conception de l'ouverture du pochoir pour les pièces à pas fin et en confirmant que le profil de refusion correspond à votre mélange réel de cartes et de composants avant d'envoyer le RFQ.
Pourquoi les tendances des smartphones modifient le profil de risque SMT
Les tendances en matière d'électronique grand public et de conception de smartphones ne restent pas à l'intérieur du téléphone. Ils migrent vers les contrôles industriels, les dispositifs médicaux, les modules automobiles et les produits IoT, car les mêmes familles de composants et technologies d'emballage deviennent courantes. Lorsqu'un pas de 0,4 mm BGA ou un pas de 0,3 mm QFN devient courant dans un smartphone, il apparaît dans les produits à faible volume d'ici deux à trois ans. Cela signifie que votre prochain PCBA peut contenir des packages que votre assembleur n'a pas encore qualifié sur votre pile de cartes spécifique.
Le risque n'est pas simplement que les composants soient plus petits. Le risque est que c’est toute l’enveloppe thermique et mécanique de la planche qui change. Un smartphone PCB peut avoir une épaisseur de 0,6 mm avec 8 couches et des vias enterrés. Un panneau industriel typique peut avoir une épaisseur de 1,6 mm et comporter 4 couches. Si vous adoptez des composants de type smartphone mais conservez un empilement épais et déséquilibré, vous créez un décalage de déformation lors de la refusion. Le package BGA et le PCB se dilatent à des rythmes différents, et les joints de soudure aux coins du package subissent la contrainte.
Vous devez évaluer le risque d'assemblage de SMT à trois moments : lors de la revue de conception, pendant la revue de BOM et pendant la préparation de RFQ. Chaque étape correspond à une classe de problème différente. L'examen de la conception détecte les problèmes d'empilement et de configuration du terrain. L'examen BOM détecte des problèmes de compatibilité MSL, de finition et d'alliage. La préparation RFQ détecte les lacunes du processus et de l'inspection.
Évaluation du risque de gauchissement dû à des empilements plus fins et à des BGA plus grands
Le premier et le plus important facteur de risque est la relation entre l'épaisseur PCB, la taille de l'emballage BGA et la déformation par refusion. Une planche de 1,6 mm d'épaisseur avec un BGA de 15 mm est généralement stable. Une planche de 0,8 mm d'épaisseur avec un BGA de 19 mm ne l'est pas. Le boîtier et la carte se déforment tous deux pendant la refusion, et s'ils se déforment dans des directions opposées, la pâte à souder aux coins du boîtier peut ne pas entrer en contact du tout avec la pastille.
Évaluez le stackup avant de vous engager dans un package BGA. Vérifiez l'épaisseur totale du panneau, le nombre de couches et la répartition du cuivre entre les couches. Un empilement symétrique avec un poids de cuivre équilibré sur chaque paire de couches se déformera moins qu'un empilement asymétrique. Si vous disposez d'une carte de 0,8 mm à six couches, assurez-vous que le poids du cuivre et la couverture plane sont à peu près équilibrés autour de l'axe neutre.
L’équilibre du cuivre est plus important que la plupart des concepteurs ne le pensent. Une carte avec un plan de masse solide sur la couche 2 et uniquement des traces de signal sur la couche 5 se déformera pendant la refusion car l'inadéquation du coefficient de dilatation thermique (CTE) entre le cuivre et le stratifié n'est pas symétrique. La planche se creusera vers le côté avec moins de cuivre. Lorsqu'un grand BGA est placé de ce côté, la coplanarité du paquet et la déformation de la carte se combinent, et vous obtenez des défauts de tête dans l'oreiller ou des joints de soudure ouverts aux coins du paquet.
Une règle empirique pratique : si votre carte est inférieure à 1,0 mm et que vous placez un BGA supérieur à 12 mm sur un côté, demandez une simulation de déformation ou un test de moiré d'ombre par refusion à votre assembleur avant le lancement de la production. Il s'agit d'une fonctionnalité standard chez la plupart des fournisseurs EMS, et elle coûte bien moins cher qu'un premier article défaillant.
> Practical note: If your stackup is asymmetric, add copper thieving on the light layer or adjust the stackup so the copper weight is balanced. This is a design change, not a process change, and it must happen before the PCB is fabricated.
Composants à pas fin et contraintes de conception de pochoir
Les tendances des smartphones font baisser la hauteur des composants. Les BGA au pas de 0,4 mm, les résistances 0201 et les connecteurs au pas de 0,3 mm sont désormais courants. Ces composants nécessitent une conception de pochoir fondamentalement différente de celle qui fonctionne pour les BGA au pas de 0,5 mm et les passifs 0402.
Le rapport de surface d’ouverture du pochoir est la variable critique. Pour un pas de 0,4 mm BGA avec un tampon de 0,2 mm, l'ouverture peut être un carré de 0,19 mm. L'épaisseur du pochoir doit être choisie de manière à ce que le rapport de surface (la surface de l'ouverture de l'ouverture divisée par la surface de la paroi de l'ouverture) reste supérieur à 0,66 pour une bonne libération de la pâte. Si le pochoir est trop épais, la pâte reste dans l'ouverture. S'il est trop fin, vous ne déposerez pas suffisamment de volume de soudure pour former un joint fiable.
Pour les composants 0201, le défi est la cohérence du volume de pâte. Un tampon 0201 mesure environ 0,25 mm sur 0,3 mm. Le dépôt de pâte doit être cohérent sur des milliers de placements. Si l'ouverture du pochoir est découpée au laser avec électropolissage, le démoulage de la pâte sera meilleur qu'avec un pochoir nu découpé au laser. Si vous utilisez un pochoir à pas pour accueillir à la fois des BGA à pas fin et des connecteurs de grande taille, la transition par étapes doit être placée à l'écart des ouvertures à pas fin, sinon vous obtiendrez des taches de pâte.
Évaluez la conception du pochoir lors de la révision DFM. Demandez à votre assembleur la liste des ouvertures du pochoir et le calcul du rapport de surface pour chaque composant à pas fin. Si le rapport de surface est inférieur à 0,66, l'épaisseur du pochoir ou la conception de l'ouverture doit changer. Il s'agit d'une sortie DFM standard, et tout assembleur qui ne peut pas la fournir n'est pas équipé pour un travail de précision.
Finitions sans plomb, alliages mixtes et validation du profil de refusion
Les appareils électroniques grand public sont presque entièrement sans plomb, et les finitions des composants et des PCB le reflètent. La combinaison la plus courante est la pâte à souder SAC305 avec une finition de carte ENIG ou ENEPIG et des finitions de composants en étain mat ou en alliage SAC. Cette combinaison fonctionne, mais elle nécessite un profil de refusion validé pour le mélange réel de cartes et de composants.
Le risque apparaît lorsque vous mélangez des alliages. Si votre BOM comporte certains composants avec des billes SAC305 et d'autres avec des billes SAC405, ou si vous avez une planche avec une finition OSP et un composant avec une finition étain-plomb, le profil de refusion doit accueillir les deux. La température maximale et le temps au-dessus du liquidus doivent être suffisants pour l’alliage à point de fusion élevé sans endommager celui à point de fusion inférieur.
La sensibilité à l'humidité est un autre risque sans plomb. J-STD-020 définit les valeurs MSL pour les composants et J-STD-033 définit les exigences de manipulation et de cuisson. Un pas de 0,4 mm BGA est généralement MSL 3, ce qui signifie qu'il doit être placé dans les 168 heures suivant l'ouverture du sac barrière contre l'humidité. Si le composant absorbe l'humidité et subit ensuite une refusion à une température maximale de 245 °C, l'humidité se dilate rapidement et peut provoquer une fissuration de l'emballage ou un « popcorning ». Il s'agit d'un risque caché car le composant semble en bon état avant la refusion.
Évaluez le profil de redistribution avant la build. Votre assembleur doit fournir un profil validé avec une carte de thermocouple qui correspond à l'épaisseur de votre carte et au poids du cuivre. Le profil doit indiquer le taux de rampe, le temps de trempage, la température maximale et le temps au-dessus du liquidus. Si le profil n'est validé que sur une planche de test standard de 1,6 mm et que votre planche fait 0,8 mm, le profil n'est pas valable pour votre produit.
BOM Révision : MSL, coplanarité et disponibilité des packages
L'examen BOM est l'endroit où la plupart des risques d'assemblage SMT sont réellement détectés. Les ingénieurs se concentrent souvent sur le schéma et la disposition, mais le BOM contient les informations qui déterminent si la carte peut être assemblée.
Vérifiez chaque BGA et composant à pas fin pour sa classification MSL. Si un composant est MSL 5a, il doit être cuit avant utilisation s'il a été exposé à l'humidité ambiante pendant plus de 24 heures. Cela ajoute du temps et des coûts au processus d'assemblage. Si vous utilisez un service clé en main, l'assembleur s'en chargera, mais vous devez savoir quels composants sont sensibles afin de pouvoir planifier le délai de livraison.
Vérifiez la spécification de coplanarité pour chaque BGA. La coplanarité est la déviation maximale des pointes de la bille de soudure par rapport à un seul plan. Pour un pas de 0,4 mm BGA, la coplanarité est typiquement de 0,08 mm. Si la carte se déforme davantage pendant la refusion, les joints de soudure aux coins de l'emballage ne se formeront pas. La spécification de coplanarité se trouve dans la fiche technique du composant et doit être comparée à la déformation attendue de la carte.
Vérifiez la disponibilité des packages et les sources alternatives. Un composant qui n'est disponible que chez un seul fabricant dans une seule variante de package constitue un risque d'approvisionnement. Si le composant arrive en fin de vie ou a un long délai de livraison, vous pourriez être obligé de le remplacer par un autre emballage, ce qui modifiera le modèle de terrain et la conception du pochoir. Il s'agit d'un risque qui est souvent découvert lors du processus RFQ, et non lors de la conception.
Que faut-il inclure dans le RFQ pour réduire les risques liés à l'assemblage
Le RFQ est votre dernière chance de réduire le risque d'assemblage de SMT avant le début de la construction. Un RFQ complet permet à l'assembleur d'exécuter une révision DFM significative et d'identifier les problèmes avant qu'ils ne deviennent des défauts.
Incluez le BOM complet avec les numéros de pièces du fabricant, et pas seulement les indicatifs et les valeurs de référence. L'assembleur a besoin du type de package exact, de la classification MSL et de la finition pour chaque composant. Incluez le fichier centroïde (fichier pick-and-place) afin que l'assembleur puisse vérifier le placement des composants par rapport aux fichiers Gerber. Incluez les fichiers Gerber et les détails de l'empilement PCB, y compris le nombre de couches, l'épaisseur, le poids du cuivre et le matériau stratifié.
Incluez toutes les notes de processus spécial. Si vous avez un pas de 0,4 mm BGA, notez qu'une inspection aux rayons X est requise. Si vous disposez d'une carte à technologie mixte avec des connecteurs traversants et des composants SMT à pas fin, notez qu'une soudure sélective ou une séquence d'assemblage spécifique est nécessaire. Si vous possédez une planche avec une finition OSP, notez que la planche doit être assemblée dans un délai précis après la fabrication.
Indiquez le volume de production attendu et si vous avez besoin d'un assemblage clé en main ou en consignation. L'assemblage clé en main signifie que l'assembleur s'approvisionne en composants, ce qui lui fait supporter le risque d'approvisionnement. L'assemblage en consignation signifie que vous fournissez les composants, ce qui signifie que vous êtes responsable de la gestion MSL et du risque d'approvisionnement. Le volume est important car il affecte la conception du pochoir et la stratégie d'inspection. Un prototype de 10 cartes et un cycle de production de 10 000 cartes nécessitent des approches de pochoir et d'inspection différentes.
Erreurs courantes et quand impliquer le fabricant
Les ingénieurs commettent les mêmes erreurs de risque d'assemblage SMT à plusieurs reprises. La plus courante consiste à supposer qu’une conception de pochoir standard fonctionne pour les cartes à technologies mixtes. Une carte avec un pas de 0,4 mm BGA et un grand connecteur traversant nécessite un pochoir à gradins ou une épaisseur de pochoir différente de celle d'une carte avec uniquement des composants à pas fin. La transition par étapes doit être conçue avec soin et la libération de la pâte doit être vérifiée.
Une autre erreur courante consiste à ignorer l'effet de l'épaisseur du panneau sur le gauchissement par refusion. Une planche de 0,8 mm avec un BGA de 15 mm se déformera plus qu'une planche de 1,6 mm avec le même BGA. Si la conception ne peut pas changer, l'assembleur doit utiliser un support ou un profil de refusion différent pour compenser. Il s’agit d’un changement de processus qui doit être discuté avant la construction.
Une troisième erreur consiste à supposer que le profil de redistribution d'un projet précédent est valide pour la carte actuelle. Le profil dépend de l'épaisseur de la carte, du poids du cuivre, de la densité des composants et de la pâte à souder. Un profil qui a fonctionné pour un panneau à 4 couches de 1,6 mm ne fonctionnera pas pour un panneau à 8 couches de 0,8 mm. Le profil doit être revalidé pour chaque conception de carte.
Impliquez le fabricant dès le début. Envoyez les fichiers de conception et le BOM à votre assembleur pour un examen DFM avant de finaliser la mise en page. L'examen DFM détectera les problèmes de configuration du terrain, les problèmes de conception de pochoirs et les problèmes d'empilement. Il s'agit d'un service gratuit ou peu coûteux proposé par la plupart des fournisseurs EMS, et il s'agit du moyen le plus efficace de réduire le risque d'assemblage SMT.
Exemple pratique : évaluation d'une carte de type smartphone
Prenons un exemple concret. Vous disposez d'une carte à 8 couches de 0,8 mm d'épaisseur avec un BGA de 19 mm, deux connecteurs au pas de 0,4 mm et un mélange de passifs 0201 et 0402. La finition de la carte est ENIG et la pâte à souder est SAC305.
Le premier risque est le gauchissement. La carte de 0,8 mm avec un empilement de 8 couches aura un poids de cuivre de 0,5 oz sur les couches externes et de 0,5 oz ou 1 oz sur les couches internes. La répartition du cuivre doit être équilibrée. Si les couches internes ont une couverture de cuivre très différente, la carte se déformera. Demander une simulation de déformation à l'assembleur.
Le deuxième risque est la conception du pochoir. Les connecteurs au pas de 0,4 mm nécessitent une épaisseur de pochoir de 0,1 mm ou moins pour atteindre le rapport de surface requis. Les passifs 0201 nécessitent la même épaisseur de pochoir pour un volume de pâte constant. Le BGA de 19 mm nécessite suffisamment de volume de pâte pour former des joints fiables. Un pochoir de 0,1 mm peut ne pas déposer suffisamment de pâte pour le BGA. Un pochoir à étapes avec une section plus épaisse sous le BGA et une section plus fine sous les composants à pas fin est la solution typique.
Le troisième risque est le profil de redistribution. La carte de 0,8 mm chauffera plus rapidement qu'une carte de 1,6 mm car il y a moins de cuivre et de stratifié pour absorber la chaleur. Le taux de rampe doit être contrôlé pour éviter les chocs thermiques sur les composants. La température maximale doit être suffisamment élevée pour le SAC305 (généralement 245 °C), mais pas au point d'endommager les composants au pas de 0,4 mm.
Le quatrième risque est l’inspection. Les connecteurs BGA de 19 mm et au pas de 0,4 mm ne peuvent pas être inspectés visuellement. Une inspection aux rayons X est requise pour les joints de soudure BGA et AOI est requise pour les composants à pas fin. La stratégie de contrôle doit être définie dans le RFQ.
Normes et méthodes d'inspection applicables
Les normes pertinentes pour l'évaluation des risques d'assemblage SMT sont J-STD-001 pour les exigences du processus d'assemblage électrique et électronique soudé, IPC-A-610 pour l'acceptabilité des cartes assemblées et IPC-7351 pour les modèles de terrain et les empreintes SMT. J-STD-020 et J-STD-033 couvrent la sensibilité à l'humidité et la manipulation des composants.
Ces normes définissent les exigences de processus et d'acceptabilité, mais elles ne définissent pas votre profil de risque spécifique. Le profil de risque provient de l'interaction entre la conception de votre carte, la sélection de vos composants et la capacité de processus de votre assembleur. Les normes vous donnent un cadre pour évaluer cette interaction.
Les méthodes d’inspection comptent autant que les normes. Une inspection aux rayons X est requise pour les BGA et autres boîtiers à matrice de zones où les joints de soudure sont cachés. AOI est requis pour les composants à pas fin où les joints de soudure sont visibles mais trop petits pour une inspection manuelle. L'inspection du premier article est requise pour toute nouvelle conception de carte et doit inclure la section transversale des joints de soudure pour les composants critiques.
For related risk factors, see How to Evaluate SMT Assembly Risk from FOPLP and Thermal Processing Trends for advanced packaging considerations, and How to Evaluate SMT Assembly Risk from Sales and Electronics Trends for market-driven component availability issues. For design-side risk, review How to Evaluate SMT Assembly Risk from Board Design and Board Layout and How to Evaluate SMT Assembly Risk from PCB Design and PCB Manufacturing Trends. For a different industry perspective, see How to Evaluate SMT Assembly Risk from Aerospace and Industrial Automation Trends.
FAQ
Pourquoi les tendances en matière d'électronique grand public affectent-elles le risque d'assemblage SMT ?
Les tendances en matière d'électronique grand public, telles que les appareils plus fins, le nombre plus élevé de broches BGA et les finitions sans plomb, modifient le profil de risque de l'assemblage SMT. Vous devez évaluer la coplanarité de l'emballage, la finition de la carte, la conception de l'ouverture du pochoir et la compatibilité du profil de refusion avant de passer la commande.
Où les ingénieurs commettent-ils des erreurs lors de l'évaluation du risque d'assemblage SMT ?
Les ingénieurs négligent souvent la coplanarité BGA, la gestion du niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) et l'effet de l'épaisseur du panneau sur le gauchissement par refusion. Une autre erreur courante consiste à supposer qu'une conception de pochoir standard fonctionne pour les cartes à technologie mixte avec des BGA au pas de 0,4 mm et de grands connecteurs.
Comment vérifier le risque d'assemblage SMT avant de démarrer une build ?
Avant la construction, examinez le BOM pour les types de packages de composants et MSL, vérifiez l'empilement PCB pour l'épaisseur et l'équilibre du cuivre, et confirmez que le profil de refusion correspond aux exigences de la pâte à souder et des composants. Un examen DFM des configurations de terrain et des ouvertures de pochoir est essentiel.
Quelles informations dois-je inclure dans un RFQ pour réduire le risque d'assemblage SMT ?
Incluez le BOM complet avec les numéros de pièces du fabricant, le fichier centroïde, les fichiers Gerber, les détails de l'empilement PCB et toutes les notes de processus spéciales telles que les exigences de soudure sélective ou d'inspection aux rayons X. Indiquez également le volume de production attendu et si vous avez besoin d'un assemblage clé en main ou en consignation.
Comment l'épaisseur du panneau affecte-t-elle le risque d'assemblage BGA ?
Les planches plus fines se déforment davantage lors de la refusion car elles ont moins de rigidité et moins de masse thermique. Une planche de 0,8 mm avec un grand BGA montrera plus de déformation qu'une planche de 1,6 mm avec le même BGA. Le gauchissement peut dépasser la spécification de coplanarité BGA, provoquant des joints de soudure ouverts au niveau des coins du boîtier.
Quand dois-je demander une simulation de déformation à mon assembleur ?
Demandez une simulation de déformation lorsque votre carte est inférieure à 1,0 mm et que vous placez un BGA supérieur à 12 mm sur un côté, ou lorsque votre empilement a une distribution de cuivre asymétrique. La simulation est peu coûteuse par rapport à un premier article raté et elle vous donne des données pour décider si la conception doit être modifiée.
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