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Come si fabbrica una scheda elettronica

Introduzione

In questo articolo voglio spiegarti a grandi linee come funziona la produzione di una scheda elettronica come quella seguente:

Foto di una scheda Arduino UNO R3
Immagine di una scheda elettronica presa da arduino.cc

La scheda elettronica è composta da un circuito stampato dove ci sono delle piste di rame per realizzare i collegamenti elettrici e una serie di componenti per far funzionare il circuito. Il circuito stampato viene detto comunemente PCB acronimo del termine inglese "Printed circuit board".

Il processo produttivo dipende dal segmento di mercato del prodotto che si vuole produrre e dai macchinari disponibili. Per completezza ti presenterò gli step per produrre una scheda con un buon livello di qualità, alcuni di questi passaggi non sono indispensabili ma servono a scartare eventuali schede non montate correttamente.

Marcatura laser

Prima di qualsiasi altra fase produttiva si identifica ogni singolo PCB con un serial number. I PCB vengono ricevuti e lavorati in dei pannelli in modo da montare in "parallelo" più PCB per volta, nell'immagine seguente un esempio.

Pannello con 6 pcb
Immagine di un pannello PCB presa da optimatech.net

Ad ognuno dei PCB presenti nel pannello viene associato un serial number. Questo viene effettuato laserando su una zona definita del PCB un QR code con il seriale. Leggendo il serial number ad ogni fase di processo si può tracciare ed eventualmente salvare sul server tutte le operazioni realizzate su una singola scheda. Alcuni segmenti di mercato richiedono la tracciabilità con tutti i lotti di tutti i componenti montati, in questo modo se si scopre un difetto su un lotto si può risalire a tutte le schede che hanno lo stesso problema.

Il laser marking può essere anche impiegato per inserire date di produzione e altre informazioni rilevanti. Può essere usato anche per incidere loghi o marchi ma questo solitamente lo si chiede direttamente al fornitore di PCB.

Pulizia dei PCB

Dopo aver effettuato il laser marking i pannelli vengono puliti prima di stendere la pasta salda che permetterà poi la saldatura dei componenti.

La pulizia del PCB può avvenire in diversi modi e spesso i macchinari acquistabili integrano diverse modalità di pulizia:

  • Rulli adesivi - scorrendo sulla superficie del PCB catturandone la polvere
  • Coltelli d'aria - portano via meccanicamente la sporcizia
  • Ionizzatori ad alta pressione - le molecole d'aria si caricano elettrostaticamente e attirano le particelle di polvere dal pcb che vengono portate via

Deposizione della pasta salda

Una volta che i pannelli sono stati puliti si depone la pasta salda, la pasta saldante è una miscela di materiale metallico (per lo più stagno) e flussante. La pasta salda ad una determinata temperatura si scioglie, il flussante evapora e la parte metallica connette un pad del pcb al pin del componente che si vuole saldare.

Per mettere la pasta saldante sulle pad si utilizza uno stencil (lamina metallica) che ha delle aperture a sezione quadrata nei punti in cui ci saranno i pin dei componenti. In questo modo la macchina "spalma" la pasta saldante sullo stencil e la pasta va a finire solo nei punti in cui ci saranno i pin dei componenti smd da saldare.

Lamina serigrafica per deposizione pasta salda su schede elettroniche
Immagine di uno stencil presa da www.ei.futuranet.it

Ispezione pasta saldante

La maggior parte dei problemi di saldatura dei componenti smd è data da una incorretta deposizione della pasta saldante. Scartare una scheda montata può essere molto costoso perciò si preferisce individuare un problema di deposizione della pasta prima di montare la scheda.

Molte macchine di ispezione riescono a fare una ricostruzione 3D e quindi calcolare il volume di ogni cubetto di pasta salda e individuare in automatico una pad difettosa.

Software per ispezione ottica 3D della pasta saldante depositata
Immagine di una pad con poca pasta salda presa da aleader-europe.com

Assemblaggio dei componenti SMD

L'assemblaggio dei componenti SMD è la parte più importante di un processo di produzione di una scheda elettronica. Questa fase viene spesso chiamata "pick and place" dal nome della macchina che si utilizza.

Tipicamente i componenti vengono forniti in rolle chiamate "tape and reel", la macchina ha dei caricatori ("feeder") che srotolano le rolle e man mano preparano i componenti per essere montati. Sulla linea c'è un operatore che inserisce nei feeder nuove rolle di componenti man mano che finiscono.

Alcuni circuiti integrati più grandi possono essere forniti in vassoio anziché in reel. Una volta che il feeder ha portato il componenti nei pressi della zona di montaggio delle teste prendono i componenti con delle piccole pipette (noozle). I componenti sono talmente piccoli e leggeri che questi noozle riescono facendo un pò di vuoto a tirarli su e posizionarli sulle piazzole dove saranno saldati.

Macchina pick and place per montaggio componenti smd
Immagine del posizionamento dei componenti in una macchina pick and place

Forno di rifusione

Dopo che tutti i componenti sono stati posizionati sulla pasta saldante nelle apposite piazzole il pannello va in un forno di rifusione dove avviene il processo di saldatura.

Il forno ha una certa lunghezza e le varie zone del forno hanno una temperatura differente. La temperatura delle varie zone viene impostata affinché le schede viaggiando dall'ingresso all'uscita vengano sottoposte ad un profilo termico stabilito.

Ogni fornitore di componentistica elettronica fornisce tipicamente un profilo di saldatura idoneo a quel componente. Di seguito trovi un tipico profilo di saldatura che ho preso dal sito microsemi.com

Esempio di profilo di saldatura di componenti SMD microsemi.

Come vedi dall'immagine c'è una zona di preriscaldamento in cui tutta la scheda raggiunge una certa temperatura, dopodiché si raggiunge la fase "liquida" in cui la pasta saldante si scioglie e lega il componente alla piazzola.

Ispezione ottica

Per assicurarsi una produzione di qualità dopo il processo di saldatura c'è l'ispezione ottica delle saldature. Ci sono diversi macchinari che in modo "automatico" riescono a riconoscere se una saldatura è fatta male.

Solitamente i problemi tipici nella saldatura sono:

  • Saldatura "fredda" o con poco stagno
  • Saldatura con troppo stagno
  • Componente sollevato o ruotato

Con l'immagine seguente puoi capire meglio come si valuta la saldatura, come al solito nella sezione a fine articolo ti lascio dei link dove approfondire questo e altri argomenti.

Esempi di saldature smd fatte bene o fatte male
Immagine presa da wpo-altertechnology.com

Se la scheda ha componenti smd su entrambi i lati, il pannello torna ad inizio linea produttiva e apparte il laser marking tutto il processo si ripete sull'altro lato della scheda. Una volta che tutti i componenti sono stati saldati si passa alla fase successiva: il test in-circuit.

In-Circuit Test

Per valutare se la scheda è stata montata correttamente non basta valutare la bontà delle saldature ma è necessario misurare tutti i punti della scheda per verificare che non ci siano problemi.

Con questa fase si riescono a individuare componenti danneggiati oppure montati al posto sbagliato. Ormai con le procedure di riconoscimento reel è molto difficile che venga montato un componente di valore sbagliato ma se c'è stato un qualche errore durante le fasi precedenti in questa fase viene individuato e la scheda scartata.

Per fare questo test c'è un letto d'aghi collegato ad una macchina di misura che riesce a misurare il valore atteso in ogni net del circuito elettrico. Per net si intende ogni ramo del circuito che collega due o più componenti tra di loro.

Macchina per in-circuit test della società SPEA
Immagine di una fixture ICT presa dal sito spea.com

Montaggio componenti a foro passante

Se la scheda ha solo componenti SDM con lo step precedente la scheda è pronta per essere imballata e spedita. Nel caso in cui invece ci siano componenti tradizionali a foro passante (PTH - Pin Trough Hole) è necessario un altro step produttivo.

I componenti vengono preformati se necessario e inseriti nei fori, questo può essere fatto in automatico per componenti radiali o assiali mentre per tutti gli altri componenti deve essere fatto manualmente.

Questi componenti possono essere saldati con diverse modalità in base al livello di qualità richiesto:

  • Saldatura manuale
  • Saldatura selettiva
  • Saldatura ad onda

La saldatura manuale come dal termine viene eseguita manualmente da un operatore con una stazione saldante. La selettiva invece viene eseguita da una macchina in cui si possono programmare i punti di saldatura, di fatto riproduce con una macchina automatica quello che farebbe un operatore nella saldatura manuale.

La saldatura selettiva ha un buon livello di qualità ma richiede moto tempo perciò ha costi elevati. Nella produzione di massa viene utilizzata solo quando ci sono pochi componenti PTH, nel caso in cui ci siano molti componenti è più conveniente utilizzare una macchina per saldatura ad onda.

Nella saldatura ad onda il PCB viene messo su un carrello di saldatura e passa letteralmente sopra un'onda di stagno fuso che si attacca ai pin e collega i pin al foro metallizzato.

Lo stagno non rimane nelle zone del PCB dove non ci sono piazzole scoperte o fori ma potrebbe coinvolgere i componenti SMD montati sul bottom della scheda. Per evitare questo si utilizzano delle maschere di saldatura che non fanno arrivare l'onda nelle zone dove non deve. Per rendere efficacie questo processo di "mascheratura" dei componenti SMD è importante nella fase di progetto non mettere i componenti SMD troppo vicini ai PTH.

Test funzionale

L'ultima fase prima di imballare e spedire il prodotto è il test funzionale. Con questo step è finita la produzione di una scheda elettronica. In alcuni casi però questa scheda può essere utilizzata in prodotti più complessi e rimanere in fabbrica per ulteriori assemblaggi e test.

Questa fase viene spesso chiamata FVT (Functional Verification Test) perché i test non sono di natura elettrica ma funzionale. Quando possibile si utilizzano delle macchine programmabili che in automatico testano tutti gli input e output della scheda sia di natura elettrica che non.

In questa fase si testano i protocolli di comunicazione, i moduli radio, eventuali LED o display, buzzer e si possono fare calibrazioni o inserire dei parametri.

Se questo articolo ti è piaciuto puoi trovare altri articoli come questo nella pagina tech.

Dove approfondire

  1. Laser marking - www.ipc.org/17%26S27-1.pdf - "Implementing Laser Marking of Printed Circuit Boards", articolo tratto dalla conferenza di ECWC 10 Conference at IPC Printed Circuits Expo®
  2. Video laser marking - https://www.youtube.com/watch?v=aw_dAilRknI - Video di una macchina di laser marking mentre lasera dei pcb
  3. Pick and place - resources.pcb.cadence.com/blog/2024-pick-and-place-machine - Articolo sul funzionamento di una macchina pick and place
  4. Video pick and place - https://www.youtube.com/watch?v=S8qkaTsr2_o - Video di una macchina pick and place in funzione
  5. Ispezione ottica saldature - wpo-altertechnology.com/soldering-verification-processes/ - Articolo d'approfondimento sull'ispezione ottica delle saldature
  6. Saldatura componenti smd- https://www.youtube.com/shorts/cXoA-KmBvpI - Video di componenti smd durante il processo di saldatura nel forno
  7. Saldatura selettiva pth - https://www.youtube.com/watch?v=TMD_9xLZBng - Video di una saldatrice selettiva che monta componenti a foro passante
  8. Saldatrice ad onda - https://www.youtube.com/watch?v=VWH58QrprVc - Video del processo di saldatura ad onda

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