Pianificazione dell'assemblaggio misto: Guida ingegneristica per l'integrazione SMT e a foro passante

La pianificazione dell'assemblaggio misto è il coordinamento strategico dei processi di produzione per gli assemblaggi di circuiti stampati (PCBA) che contengono sia componenti a tecnologia a montaggio superficiale (SMT) che a tecnologia a foro passante (THT). A differenza delle schede a tecnologia singola, la tecnologia mista richiede un'attenta sequenza per prevenire danni termici, garantire l'affidabilità delle saldature e accogliere dispositivi fisici come i pallet per la saldatura a onda. Gli ingegneri devono definire le zone di esclusione, l'orientamento dei componenti e i profili termici in anticipo nella fase di progettazione per evitare costose rilavorazioni.

Presso APTPCB (Fabbrica di PCB APTPCB), constatiamo che un assemblaggio misto di successo si basa fortemente sulla validazione del Design for Manufacturing (DFM) prima che la prima scheda venga popolata. Questa guida fornisce le specifiche, le liste di controllo e i passaggi per la risoluzione dei problemi necessari per eseguire una robusta strategia di assemblaggio misto.

Risposta rapida sulla pianificazione dell'assemblaggio misto (30 secondi)

Se stai progettando una scheda con componenti SMT e THT, segui questi principi fondamentali per garantire la producibilità:

Sequenza di processo: La gerarchia standard è Lato superiore SMT (Reflow) → Lato inferiore SMT (Reflow/Colla) → THT (Saldatura a onda, Selettiva o Manuale).
Zone di spazio libero: Mantenere uno spazio libero minimo da 3 mm a 5 mm intorno ai pad THT se si utilizzano pallet per la saldatura a onda per consentire alle pareti del dispositivo di sigillarsi contro il PCB.
Orientamento dei componenti: Allineare i componenti passivi SMT perpendicolarmente alla direzione dell'onda per minimizzare i ponti di saldatura e gli effetti di ombreggiatura.
Gerarchia Termica: Assicurarsi che i componenti THT possano sopportare i cicli di calore cumulativi se posizionati vicino a parti SMT di massa elevata.
Limiti del Lato Secondario: Evitare di posizionare componenti SMT pesanti o alti sul lato secondario (inferiore) se tale lato deve passare su un bagno di saldatura a onda; potrebbero cadere o richiedere una schermatura complessa.
Validazione: Esaminare sempre "l'effetto ombra" dove grandi parti THT potrebbero bloccare l'onda di saldatura impedendole di raggiungere i pad SMT più piccoli dietro di esse.

Quando si applica la pianificazione dell'assemblaggio misto (e quando no)

Comprendere quando attivare un flusso di lavoro completo di assemblaggio misto aiuta a ottimizzare i costi e i tempi di consegna.

Quando la pianificazione dell'assemblaggio misto è critica:

Applicazioni ad Alta Potenza: Progetti che richiedono connettori meccanici robusti o grandi condensatori disponibili solo in package THT.
Componenti Legacy: Progetti che utilizzano circuiti integrati più vecchi o sensori specifici che non hanno equivalenti a montaggio superficiale.
Punti di Stress Meccanico: Porte I/O (USB, Ethernet, prese di alimentazione) che richiedono la resistenza fisica dell'ancoraggio a foro passante.
Popolazione a Doppio Lato: Schede con componenti attivi su entrambi i lati superiore e inferiore che richiedono saldatura selettiva o maschere per saldatura a onda.

Quando la pianificazione dell'assemblaggio misto è inutile (o dovrebbe essere evitata):

Design SMT Puri: Se tutti i componenti hanno alternative SMT, attenersi a un singolo processo di reflow per ridurre i costi e i tassi di difettosità.
Prototipi a basso volume: Per <10 schede, la saldatura manuale dei componenti THT è spesso più conveniente rispetto alla progettazione di complesse palette per saldatura a onda.
Componenti sensibili al calore: Se una scheda contiene componenti che non possono sopportare le temperature di saldatura a onda, un processo misto potrebbe essere troppo rischioso; si preferisce la saldatura manuale o selettiva.
Densità ultra-elevata: Se la scheda non ha il gioco di 3-5 mm richiesto per le palette di saldatura a onda, il design impone un passaggio alla saldatura selettiva o al lavoro manuale, modificando l'ambito di pianificazione.

Regole e specifiche di pianificazione dell'assemblaggio misto (parametri chiave e limiti)

La seguente tabella illustra le regole di progettazione critiche per le schede a tecnologia mista. L'adesione a questi valori previene i comuni guasti di fabbricazione.

Regola	Valore/Intervallo consigliato	Perché è importante	Come verificare	Se ignorato
Spazio libero per la paletta a onda	> 3,0 mm (5,0 mm preferito)	Consente alle pareti del dispositivo di sigillare il fondo del PCB senza colpire i componenti SMT.	Controllo distanza CAD	I componenti SMT vicino ai pad THT vengono schiacciati o inondati di saldatura.
Orientamento dei componenti SMT	Perpendicolare all'onda	Riduce l'«ombreggiatura» in cui il corpo del componente blocca il flusso di saldatura.	Ispezione visiva / DFM	Giunti aperti o saldatura insufficiente sui pad posteriori.
Pad di deviazione	1,5x a 2x la dimensione del pad	Allontana l'eccesso di saldatura dagli ultimi pin di un connettore per prevenire ponti.	Revisione Gerber	Ponti di saldatura sull'ultima fila di pin nella saldatura a onda.
Lunghezza del reoforo THT	1,5 mm - 2,0 mm (dopo il taglio)	Impedisce ai reofori di colpire l'ugello dell'onda o di causare cortocircuiti.	Misurazione fisica	Cortocircuiti o danni all'ugello durante la saldatura ad onda.
Diga di maschera di saldatura	> 0,1 mm (4 mil)	Impedisce la formazione di ponti di saldatura tra pad SMT e THT ravvicinati.	Ingegneria CAM	Elevato tasso di ponti che richiede rilavorazione manuale.
Tappatura via (Tented)	100% sotto BGA/SMT	Impedisce il furto di saldatura o la perdita di vuoto durante l'assemblaggio.	Disegno di fabbricazione	Vuoti di saldatura o giunti deboli sui componenti SMT.
Altezza componente (Inferiore)	< 5,0 mm (per onda)	Componenti alti sul lato inferiore interferiscono con l'altezza dell'onda di saldatura.	Controllo modello 3D	I componenti trascinano nel bagno di saldatura; i pezzi cadono.
Rilievo termico	Connessione a 4 raggi	Assicura che il calore rimanga sul giunto durante la saldatura senza dissiparsi nei piani.	Impostazioni layout	Giunti di saldatura freddi; incapacità di riscaldare completamente il barilotto.
Marchi di riferimento	3 per lato (Globale)	Essenziale per l'allineamento della macchina sia per il posizionamento SMT che per l'inserimento THT automatizzato.	Ispezione ottica	Componenti disallineati; spostamenti di posizionamento.
Binari di bordo per panelizzazione	> 5,0 mm di larghezza	Fornisce presa per i trasportatori e i "dita" della saldatura ad onda.	Disegno del pannello	La scheda cade nella macchina o si deforma significativamente.

Fasi di implementazione della pianificazione dell'assemblaggio misto (punti di controllo del processo)

L'implementazione di una linea di assemblaggio mista richiede una sequenza rigorosa per proteggere i componenti elaborati nelle fasi precedenti.

Segmentazione e analisi della distinta base (BOM)
- Azione: Separare la distinta base (BOM) in gruppi SMT superiore, SMT inferiore e THT.
- Parametro chiave: Identificare i dispositivi sensibili all'umidità (MSD) e le parti THT sensibili al calore.
- Verifica: Confermare che nessuna parte THT sia specificata per un ciclo di reflow a meno che non sia compatibile con "Pin-in-Paste".
Verifica del footprint e del layout
- Azione: Verificare che i footprint THT abbiano anelli anulari e dimensioni dei fori adeguati per la penetrazione dell'onda.
- Parametro chiave: Dimensione del foro = Diametro del conduttore + 0,25 mm (+/- 0,05 mm).
- Verifica: Eseguire un controllo DFM per gli spazi liberi del pallet d'onda attorno alle zone THT.
Progettazione di maschere e pallet
- Azione: Progettare il documento o il file CAD di introduzione della maschera per saldatura a onda. Questa maschera protegge le parti SMT sul lato inferiore mentre espone i conduttori THT all'onda.
- Parametro chiave: Spessore della parete minimo 1,5 mm; materiale solitamente Durostone o pietra sintetica.
- Verifica: Simulare l'adattamento del pallet per garantire l'assenza di interferenze con i componenti SMT.
Assemblaggio SMT (lato primario e secondario)
- Azione: Popolare e saldare a reflow i componenti SMT. Se a doppia faccia, i componenti più pesanti di solito vanno al primo passaggio (lato superiore).
- Parametro chiave: Temperatura di picco del profilo di reflow (tipicamente 245°C - 260°C).

Controllo: Eseguire un'ispezione ottica automatizzata (AOI) per verificare il posizionamento SMT prima dell'inizio del THT.

Inserimento dei componenti a foro passante (THT)
- Azione: Inserire i componenti THT manualmente o tramite macchine di inserimento automatizzate.
- Parametro chiave: Lunghezza di sporgenza del reoforo e allineamento della polarità.
- Controllo: Ispezione visiva per assicurarsi che i componenti siano a filo con il PCB.
Saldatura a onda o selettiva
- Azione: Far passare la scheda (nel suo pallet) attraverso la macchina di saldatura a onda o utilizzare un robot di saldatura selettiva.
- Parametro chiave: Temperatura del bagno di saldatura (255°C - 265°C) e tempo di permanenza (2-4 secondi).
- Controllo: Verificare che il riempimento del foro (riempimento verticale) soddisfi gli standard IPC Classe 2 o 3 (solitamente 75% o 100%).
Pulizia e ispezione finale
- Azione: Rimuovere i residui di flussante se si utilizza flussante idrosolubile; ispezionare la presenza di palline di saldatura.
- Parametro chiave: Livelli di contaminazione ionica.
- Controllo: Ispezione a raggi X se i componenti THT oscurano i pad SMT o se è stata utilizzata la tecnica Pin-in-Paste.

Risoluzione dei problemi di pianificazione dell'assemblaggio misto (modalità di guasto e correzioni)

Le linee di tecnologia mista introducono difetti unici dove i due processi interagiscono.

Sintomo: Salti di saldatura (Ombreggiatura)

Causa: Il corpo di un grande componente THT o una parete spessa del pallet blocca l'onda di saldatura impedendole di colpire un pad.
Controllo: Rivedere l'orientamento del componente rispetto alla direzione dell'onda.
Rimedio: Ruotare il componente di 90 gradi o aumentare la distanza tra l'ostacolo e il pad.
Prevenzione: Utilizzare le basi della saldatura a foro passante per progettare "pad di furto" (thieving pads) o regolare la turbolenza dell'onda.

Sintomo: Componenti SMT sul lato secondario che cadono

Causa: La saldatura rifusa sui componenti SMT del lato inferiore si rifonde durante il processo a onda.
Controllo: Verificare se il pallet per saldatura a onda copre completamente questi componenti SMT.
Rimedio: Applicare adesivo (colla rossa) ai componenti SMT del lato inferiore prima della saldatura a onda o migliorare la schermatura del pallet.
Prevenzione: Mantenere i componenti SMT del lato inferiore ad almeno 5 mm di distanza dai fori THT.

Sintomo: Giunti di saldatura freddi su THT

Causa: Piani di massa pesanti dissipano il calore più velocemente di quanto l'onda possa fornirlo.
Controllo: Ispezionare le connessioni di scarico termico sul layout del PCB.
Rimedio: Aumentare il tempo di permanenza o la temperatura di preriscaldamento (con cautela, per evitare di danneggiare i componenti SMT).
Prevenzione: Utilizzare raggi termici (thermal spokes) su tutti i pin di massa nella fase di progettazione.

Sintomo: Deformazione del PCB

Causa: Disallineamento termico tra più cicli di reflow e saldatura a onda.
Controllo: Misurare l'arco e la torsione rispetto agli standard IPC-610 (<0,75%).
Rimedio: Utilizzare un materiale del pallet più rigido o aggiungere irrigidimenti per schede durante il processo a onda.
Prevenzione: Bilanciare la distribuzione del rame sugli strati del PCB.

Sintomo: Ponti di saldatura su connettori a passo fine

Causa: Il trascinamento dell'onda lascia un eccesso di saldatura sui pin finali.
Verifica: Cerca "ponti di saldatura" sul bordo di uscita del connettore.
Soluzione: Rilavorare manualmente i ponti con un saldatore e una treccia dissaldante.
Prevenzione: Aggiungi pad rubasaldatura (solder thieves) all'impronta; orienta il connettore parallelamente all'onda.

Come scegliere la pianificazione dell'assemblaggio misto (decisioni di progettazione e compromessi)

La decisione sulla specifica strategia di assemblaggio misto implica un bilanciamento tra volume, costo e complessità.

Opzione A: Saldatura a onda con pallet

Ideale per: Produzione di volume medio-alto dove i componenti THT sono raggruppati.
Compromesso: Richiede costosi pallet personalizzati (attrezzature) e rigide regole di spazio (3-5 mm) attorno ai componenti THT.
Criterio di decisione: Se hai >500 schede e i componenti THT sono raggruppati, scegli questa opzione.

Opzione B: Saldatura selettiva

Ideale per: Schede ad alta densità dove i componenti SMT sono troppo vicini ai pin THT per un pallet.
Compromesso: Tempo di ciclo più lento per scheda rispetto alla saldatura a onda; tempo di programmazione macchina più elevato.
Criterio di decisione: Se lo spazio è <3 mm o i componenti sono alti su entrambi i lati, scegli la saldatura selettiva.

Opzione C: Saldatura manuale

Ideale per: Prototipi, volumi molto bassi o parti sensibili al calore che non possono sopravvivere a un processo automatico.
Compromesso: Qualità inconsistente (dipendente dall'operatore) e costi di manodopera elevati.
Fattore scatenante della decisione: Se si dispone di <50 schede o solo 1-2 connettori THT, l'assemblaggio manuale è spesso più economico dell'attrezzatura.

Opzione D: Pin-in-Paste (Reflow intrusivo)

Ideale per: Eliminare completamente il passaggio di saldatura a onda. I componenti THT vengono incollati e rifusi con SMT.
Compromesso: Richiede componenti THT ad alta temperatura e un design preciso dello stencil per ottenere un volume di saldatura sufficiente.
Fattore scatenante della decisione: Se i componenti THT sono compatibili e si desidera ridurre i passaggi del processo, esaminare questa integrazione SMT e THT.

FAQ sulla pianificazione dell'assemblaggio misto (DFM)

In che modo l'assemblaggio misto influisce sul costo totale del progetto? L'assemblaggio misto è generalmente il 15-30% più costoso del puro SMT a causa dei passaggi di processo aggiuntivi (saldatura a onda/selettiva), della manodopera per l'inserimento manuale e dei costi degli utensili di fissaggio.

Qual è l'impatto sui tempi di consegna? In genere aggiunge 2-3 giorni al programma di produzione. È necessario tempo per la fabbricazione di maschere (pallet), l'inserimento manuale e il processo di saldatura secondario.

Posso utilizzare l'assemblaggio misto per schede a doppia faccia? Sì, ma richiede un'attenta pianificazione. Di solito, l'SMT viene posizionato su entrambi i lati (reflow), e poi viene saldato il THT. Se il THT è su entrambi i lati, spesso richiede la saldatura manuale per il secondo lato o una saldatura selettiva complessa.

Quali dati devo fornire per la revisione DFM? È necessario fornire i file Gerber, una distinta base (BOM) che indichi quali parti sono THT e quali SMT, e i disegni di assemblaggio che mostrano la polarità dei componenti. In particolare, evidenziare eventuali parti "Do Not Populate" (DNP).

Quali sono i criteri di accettazione per i giunti di saldatura THT? Secondo IPC-A-610, un giunto THT di Classe 2 richiede almeno il 75% di riempimento verticale del barilotto e 180 gradi di bagnatura sul lato di destinazione. La Classe 3 richiede 270 gradi di bagnatura.

Perché la "saldatura selettiva" è spesso raccomandata rispetto alla saldatura a onda? La saldatura selettiva utilizza un ugello a mini-onda che si sposta su punti specifici. Elimina la necessità di costose palette e riduce lo shock termico al resto della scheda, rendendola più sicura per schede dense a tecnologia mista.

Come si prevengono le "sfere di saldatura" nell'assemblaggio misto? Le sfere di saldatura si verificano spesso durante la saldatura a onda se il preriscaldamento è insufficiente o il flussante è eccessivo. Garantire una corretta progettazione dello stencil PCB per il processo SMT e parametri di onda corretti aiuta a minimizzare questo problema.

Il Pin-in-Paste è un'alternativa valida? Sì, ma solo se il corpo del componente THT può sopportare temperature di reflow di 260°C. Semplifica il processo trattando le parti THT come parti SMT.

Qual è la distanza minima per una paletta di saldatura a onda? Generalmente sono necessari da 3 mm a 5 mm di spazio libero intorno ai pad THT sul lato saldatura. Questo spazio accoglie la parete della paletta che scherma le parti SMT vicine.

APTPCB gestisce la progettazione delle maschere? Sì, gli ingegneri APTPCB progettano e fabbricano i necessari telai per saldatura a onda o programmi di saldatura selettiva basati sui vostri file Gerber.

Risorse per la pianificazione dell'assemblaggio misto (pagine e strumenti correlati)

Linee guida DFM: Regole di progettazione dettagliate per spaziatura e layout.
Assemblaggio SMT e THT: Panoramica delle nostre capacità di tecnologia mista.
Saldatura selettiva: Approfondimento sull'alternativa alla saldatura a onda.
Assemblaggio chiavi in mano: Come gestiamo l'intera catena di fornitura per schede miste.

Glossario per la pianificazione dell'assemblaggio misto (termini chiave)

Termine	Definizione
Telaio per saldatura a onda	Un dispositivo personalizzato realizzato in materiale resistente al calore (come il Durostone) che tiene il PCB e protegge i componenti SMT durante la saldatura a onda.
Saldatura selettiva	Un processo che utilizza una piccola fontana di saldatura programmabile per saldare giunti THT specifici senza influenzare i componenti SMT vicini.
Saldatura a rifusione	Il processo di fusione della pasta saldante per attaccare i componenti SMT; di solito il primo passo nell'assemblaggio misto.
Ombreggiatura	Un difetto in cui il corpo di un componente blocca il flusso dell'onda di saldatura, causando saldature mancanti o giunti aperti sui pad dietro di esso.
Pad di "furto" (Thieving Pad)	Un pad fittizio aggiuntivo aggiunto alla fine di un'impronta di connettore per "rubare" il saldante in eccesso e prevenire i ponti.
Pin-in-Paste (PiP)	Una tecnica in cui i componenti THT vengono saldati utilizzando forni di rifusione SMT stampando la pasta nei fori.
Anello Anulare	L'anello di rame attorno a un foro passante placcato; critico per la resistenza del giunto THT.
Scarico Termico	Un modello a raggi che collega un pad a un piano di rame, impedendo al calore di dissiparsi troppo rapidamente durante la saldatura.
Flusso	Un agente chimico detergente utilizzato prima e durante la saldatura per rimuovere l'ossidazione e migliorare la bagnatura.
Durostone	Una plastica rinforzata con fibra di vetro per impieghi gravosi utilizzata per produrre pallet per saldatura a onda grazie alla sua stabilità termica.

Richiedi un preventivo per la pianificazione dell'assemblaggio misto (Design for Manufacturing (DFM) + prezzi)

Ottenere un preventivo accurato per l'assemblaggio misto richiede una chiara comprensione delle vostre esigenze di processo. Presso APTPCB, eseguiamo una revisione DFM gratuita per identificare potenziali problemi di saldatura a onda o conflitti di spazio prima della quotazione.

Per ottenere un preventivo rapido e accurato, si prega di preparare:

File Gerber: Inclusi tutti gli strati di rame, i file di foratura e gli strati di pasta.
Distinta Base (BOM): Indicando chiaramente le parti SMT rispetto a quelle THT.
Disegni di Assemblaggio: Evidenziando eventuali requisiti speciali di montaggio o mascheratura.
Volume e Tempi di Consegna: Utilizzo annuale stimato e data di consegna richiesta.

Conclusione: prossimi passi per la pianificazione dell'assemblaggio misto

Un'efficace pianificazione dell'assemblaggio misto colma il divario tra i design compatti a montaggio superficiale e i requisiti robusti dei componenti a foro passante. Aderendo a rigide regole di spazio, ottimizzando le sequenze di processo e utilizzando gli attrezzi giusti, è possibile ottenere una produzione ad alta affidabilità senza eccessive rilavorazioni. Sia che il vostro progetto richieda pallet per saldatura ad onda o una saldatura selettiva precisa, una pianificazione anticipata assicura che il vostro design sia pronto per il reparto di produzione.