Uno de los parámetros de fiabilidad más importantes que afectan la funcionalidad de todos los instrumentos de diagnóstico modernos es la fiabilidad térmica. En las aplicaciones de electrónica médica, ya sea en el campo de los diagnósticos moleculares, las plataformas de automatización de laboratorio, los sistemas de imagen o los dispositivos de pruebas en el punto de atención, la electrónica debe ser capaz de desempeñar sus funciones de forma continua, con una precisión de medición estable durante muchos años de vida útil.
Aunquegestión térmicaa menudo se considera como disipadores de calor, flujo de aire y selección de componentes, muchos problemas de fiabilidad pueden comenzar en elNivel de ensamblaje de PCBEl rendimiento del sistema puede degradarse con el tiempo como resultado del estrés térmico inducido por la fabricación, de defectos causados por la humedad o de la degradación de las uniones de soldadura mucho después de que los productos hayan superado las pruebas funcionales.
Sin embargo, para las empresas emergentes de dispositivos médicos y los equipos de I+D, la fiabilidad térmica es un desafío de diseño y fabricación. Poder regular el estrés térmico durante el ensamblaje, comprobar la precisión de las uniones de soldadura y garantizar la trazabilidad completa del proceso puede ser el factor determinante de si un producto funcionará de manera fiable en el entorno clínico.
En PCBCart, ayudamos a los innovadores del sector médico a afrontar estos desafíos mediante la fabricación electrónica médica de alta mezcla y bajo volumen (HMLV), combinando procesos avanzados de ensamblaje, estándares de mano de obra IPC Clase 3 y trazabilidad mediante Smart MES para ofrecer un control de calidad de nivel Tier-1 sin las limitaciones de los requisitos de producción de alto volumen.
Por qué la fiabilidad térmica es importante en las PCBA de instrumentos de diagnóstico
El ciclo térmico es un fenómeno inevitable durante el funcionamiento continuo de un instrumento de diagnóstico a lo largo de su vida útil. El calor generado por los procesadores integrados, los circuitos de gestión de energía, los módulos de imagen y la electrónica que acondiciona los sensores provoca puntos calientes localizados que hacen que los componentes electrónicos, las uniones de soldadura y los materiales de las PCB se expandan y contraigan repetidamente.
Los dos mecanismos principales de fallo
Desde el punto de vista de la fabricación, los problemas de fiabilidad térmica generalmente surgen de dos maneras principales: la fatiga de las uniones de soldadura y la delaminación de las PCB multicapa.
Durante los ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento que experimentan las uniones de soldadura, las diferencias en el coeficiente de expansión térmica (CTE) de los componentes, las aleaciones de soldadura y los sustratos de PCB generan esfuerzos mecánicos en la unión de soldadura y provocan fatiga en la misma. Con el tiempo, estas tensiones pueden dar lugar a microgrietas, fallos en las estructuras de soldadura y ocasionar fallos eléctricos intermitentes o permanentes. Por ejemplo, los conjuntos con BGA, encapsulados cerámicos grandes odiseños multicapacon una alta densidad son particularmente vulnerables.
Mientras tanto, la humedad absorbida por los laminados de PCB puede ser un riesgo oculto para la fiabilidad. Durante la soldadura, el agua atrapada se convierte rápidamente en vapor en el cautín caliente. Esta expansión puede provocar daños en las estructuras internas de la placa, lo que resulta en separación de capas, agrietamiento del barril y disminución de la integridad mecánica. Estos defectos pueden ser internos y solo identificarse tras un uso prolongado en campo.
El fabricante de equipos médicos electrónicos tiene el desafío no solo de identificar estos modos de fallo, sino también de poder eliminarlos del producto antes de que este se entregue para su uso.
Control de la tensión térmica durante el ensamblaje
El grado de esfuerzo térmico aplicado durante el ensamblaje es un factor principal en la fiabilidad del conjunto. Un control riguroso de la humedad, una menor deformación de la placa y perfiles de temperatura precisos durante la soldadura son esenciales para una buena gestión térmica durante el proceso de fabricación.
Un enfoque de tres capas para la reducción del estrés térmico
La primera línea de defensa es el control de la humedad. Las placas sensibles a la humedad de PCBCart se prehornean durante 4-8 horas bajo condiciones controladas antes del ensamblaje. La humedad absorbida por la placa antes de la soldadura se eliminará, mitigando así el peligro de delaminación inducida por vapor, especialmente en placas multicapa con diseños complejos, como en instrumentos de diagnóstico.
La segunda capa se centra en la estabilidad mecánica durante el refusión. La exposición a temperaturas más altas puede causar alabeo en grandes PCB multicapa, lo que provoca problemas de coplanaridad y formación irregular de uniones de soldadura. Se emplean soportes de piedra sintética para sostener la placa y mantenerla dimensionalmente estable durante el proceso de refusión propiamente dicho, a fin de contrarrestar estos riesgos.
El último paso es un perfilado térmico preciso. Las temperaturas máximas, las diferencias de temperatura y las tasas de enfriamiento que son demasiado altas o demasiado bajas pueden generar altos esfuerzos residuales en las uniones de soldadura y hacer que los mecanismos de fatiga a largo plazo se produzcan más rápidamente. Con el horno de refusión JTR-1200D-N, se crean perfiles de temperatura específicos para cada producto a fin de controlar cuidadosamente las tasas de aumento de temperatura, las zonas de remojo, las temperaturas máximas y el enfriamiento. El objetivo es crear uniones de soldadura que sean aceptables y, al mismo tiempo, minimicen los esfuerzos residuales que pueden afectar la fiabilidad del producto a largo plazo.
Estos tres controles de proceso forman una base de fabricación que puede utilizarse para minimizar los riesgos de fallo causados por cambios de temperatura antes de que el producto se utilice en entornos clínicos.
Reducción de la exposición térmica secundaria durante la soldadura
Un gran número de conjuntos de instrumentos de diagnóstico utilizan una combinación de tecnologías SMT y de orificio pasante. Este método híbrido de tecnología es muy flexible en términos de diseño, pero también puede provocar un esfuerzo térmico excesivo si los procesos de soldadura no están bien controlados.
Por qué es importante la soldadura selectiva por ola
Después de que los componentes SMT se hayan sometido al proceso de refusión, cualquier calentamiento adicional puede someter los conjuntos a un estrés térmico secundario. La exposición a temperaturas altas y repetidas puede provocar una degradación prematura de las uniones de soldadura, esfuerzos en los componentes y afectar la fiabilidad a largo plazo.
Para reducir este riesgo, PCBCart utiliza la tecnología de soldadura por ola selectiva ZSWHPS-11-2. En comparación con las técnicas convencionales de soldadura por ola, que calientan una amplia zona del conjunto, la soldadura selectiva es altamente específica y solo calienta las ubicaciones concretas de los orificios pasantes.
Este proceso localizado permite reducir el impacto térmico en los componentes SMD cercanos y proporciona una calidad constante en las soldaduras de orificio pasante. La soldadura selectiva es un método mejorado y confiable de ensamblaje de tecnología mixta para componentes electrónicos delicados con circuitos analógicos de precisión, módulos de imagen o componentes sensibles a la temperatura.
Verificación de la fiabilidad más allá del proceso de soldadura
Incluso con el mejor sistema de control de ensamblaje, la verificación objetiva sigue siendo necesaria. La fiabilidad no es un hecho dado; debe demostrarse mediante requisitos de mano de obra y métodos de prueba avanzados.
Clase 3 de IPC como estándar de aceptación
Cuando el ensamblaje de PCB de Clase 3 según IPC se utiliza como criterio de ensamblaje de instrumentos de diagnóstico para operación a largo plazo, se emplea como base para la aceptación de calidad.
Se hace especial hincapié en las uniones soldadas de orificio pasante, donde la cantidad de material de soldadura tiene un efecto directo en la resistencia mecánica y la tolerancia a la expansión térmica. Los conjuntos se validan paraNormas de la Clase 3 del IPCcon un objetivo de un 75 % o más de relleno de orificios pasantes para contribuir a la durabilidad a largo plazo. Un alto grado de relleno del barril ayuda a aumentar la resistencia del mismo, y las uniones soldadas soportan múltiples ciclos térmicos durante la vida útil del producto.
Combinación de AOI 3D y AXI para la detección de defectos
La inspección es muy importante para encontrar defectos que podrían afectar la fiabilidad térmica.
Los sistemas avanzados de AOI 3D son capaces de medir la consistencia del volumen de soldadura, la precisión en la colocación de componentes y la calidad superficial del ensamblaje con una precisión mucho mayor que las técnicas de inspección tradicionales. Cuando las uniones soldadas no pueden verse, la Inspección Automatizada por Rayos X (AXI) proporciona una evaluación adicional de las conexiones BGA, los niveles de vacíos internos, las condiciones de soldadura insuficiente y otros defectos ocultos.
La AOI 3D y la AXI conforman una solución de inspección completa que puede identificar tanto los problemas de ensamblaje visibles como los ocultos antes de que los productos entren en servicio.
Llevar el control de calidad de nivel 1 a la fabricación médica HMLV
Es una decisión difícil que las startups de dispositivos médicos tienen que tomar con frecuencia. Los proveedores de bajo volumen pueden ser flexibles pero quizá no cuenten con una infraestructura de calidad avanzada, y los grandes fabricantes a menudo solo disponen de controles de procesos sofisticados para programas de alto volumen.
Abordar los MOQ y el desafío de calidad
La idea de PCBCart se creó para eliminar tal compromiso.
Nuestro modelo de fabricación HMLV está diseñado para ser flexible, pero manteniendo la misma filosofía de control de procesos que normalmente se encuentra en un entorno de fabricación a gran escala. Equipos avanzados como impresión por chorro, SPI 3D, AOI, AXI, soldadura por refusión de alta precisión y soldadura selectiva por ola funcionan todos integrados en un ecosistema de fabricación impulsado por un MES inteligente, donde la trazabilidad total puede mantenerse fácilmente desde el ensamblaje hasta la inspección.
Todos los parámetros clave de producción se registran digitalmente y se vinculan a todo el proceso de fabricación. Esto permite un análisis rápido de la causa raíz, una mejora continua del proceso y una mayor garantía de la fiabilidad del producto en el futuro para los fabricantes de dispositivos médicos.
El resultado es un control de calidad de nivel 1, sin comprometer la flexibilidad para programas de prototipos, NPI y producción de bajo volumen, lo que lo convierte en una opción ideal para equipos de I+D y empresas emergentes de dispositivos médicos.
La fiabilidad térmica de la PCBA de instrumentos de diagnóstico es algo más que la selección de componentes y la simulación térmica. El rendimiento a largo plazo depende de procesos de fabricación que limiten la exposición a la humedad, reduzcan el estrés térmico, protejan los conjuntos sensibles y garanticen la integridad de las uniones de soldadura durante la fabricación.
Los fabricantes de dispositivos médicos pueden utilizar los procedimientos de prehorneado controlado de 4 a 8 horas de PCBCart, la inspección AOI 3D, la avanzada inspección AXI 3D, la soldadura selectiva por ola ZSWHPS-11-2, la verificación según la Clase 3 de IPC y la trazabilidad mediante Smart MES para crear ensamblajes que funcionen de manera fiable en los entornos más extremos que se encuentran en el uso clínico.
Póngase en contacto con nosotros y permita que nuestro equipo de ingeniería evalúe su diseño en cuanto a riesgos de fiabilidad térmica, mejoras en la fabricabilidad y el rendimiento a largo plazo de los instrumentos de diagnóstico antes de que comience la producción.
Recursos útiles
•Una introducción integral a la PCBA
•Proceso de ensamblaje de placas de circuito impreso
•Medidas de control de procesos para evitar defectos en el ensamblaje SMT
•Soldadura por ola vs. soldadura selectiva para el ensamblaje de PCB
•Normas esenciales para el ensamblaje de PCB médicas
