Un sensore industriale a batteria a bottone, come un localizzatore di beni, un nodo di vibrazione o un monitor ambientale, ha un budget energetico fisso. Il firmware e la scelta dei componenti determinano come viene speso questo budget, ma la qualità dell’assemblaggio determina quanto di esso si disperde prima che il sensore svolga un lavoro utile. Questo articolo spiega i fattori legati all’assemblaggio che contano di più per le schede sensore alimentate a batteria costruite con celle primarie (non ricaricabili).
Ambito:sensori industriali wireless fissi alimentati da batterie a bottone o batterie al litio primarie.
Perché la qualità dell'assemblaggio influisce sulla durata della batteria?
Su una scheda alimentata dalla rete elettrica, un percorso di perdita dovuto ai residui di qualche centinaio di nanoampere è trascurabile. Su un sensore progettato per una durata di servizio di 10 anni, lo stesso percorso può consumare una quota significativa del budget energetico totale.
Un Esempio Illustrativo di Budget di Potenza
I seguenti valori sono calcoli illustrativi, non dati misurati:
I principali produttori di celle valutano la CR2032 con una capacità nominale di circa 220–240 mAh a basso consumo. Qui utilizziamo 230 mAh.
Distribuita su 10 anni (circa 87.600 ore), 230 mAh consente uncorrente media di circa 2,6 µA, prima che si tenga conto dell’autoscarica e della riduzione del carico impulsivo.
Un percorso di perdita dovuto a contaminazione di 10 MΩ lungo un rail da 3,0 V assorbe 0,3 µA, ovvero circa l’11% di tale budget.
A 1 MΩ, la corrente di perdita raggiunge 3 µA, superando così l’intero budget medio. Il sensore non raggiungerà quindi la sua vita utile prevista, indipendentemente dall’efficienza del suo firmware.
La resistenza di isolamento superficiale in questo intervallo viene raramente rilevata da un test funzionale a temperatura ambiente. Di solito si manifesta solo dopo che la scheda è stata esposta all’umidità in campo.
Circuiti più sensibili ai residui
Partitori di tensione ad alta impedenza(spesso 1–10 MΩ) usate per il monitoraggio delle batterie. Le dispersioni drenano corrente e distorcono anche il valore misurato.
Circuiti del cristallo RTC a 32,768 kHz.Questi operano a livelli di pilotaggio molto bassi con capacità di carico di soli pochi picofarad. Le note applicative dei produttori di MCU sulla progettazione degli oscillatori avvertono che residui e umidità possono aggiungere capacità parassita e perdite, il che può causare deriva di frequenza o mancato avviamento.
Front-end analogici dei sensoricon correnti di bias di ingresso a livello di picoampere.
Porte dei MOSFET di power-gating e ingressi del comparatore di riattivazione.Una perdita in questi nodi può mantenere un dominio di alimentazione parzialmente acceso.
Pasta saldante no-clean: perché è l’impostazione predefinita e dove può fallire
La pasta saldante no-clean è solitamente la scelta preferita per le schede sensore alimentate a batteria, per tre motivi:
I flussanti idrosolubili lasciano residui altamente attivi se il lavaggio è incompleto e il lavaggio sotto componenti con basso standoff, come QFN e moduli LGA, è difficile da verificare.
Molti circuiti stampati per sensori includono componenti che non dovrebbero essere lavati, come sensori MEMS con fori di sfiato e sensori di umidità con membrane esposte.
Quando è completamente rifluito, il residuo no-clean è incapsulato e ha una bassa conducibilità.
Il qualificatore importante èrifluito completamente. I residui no-clean sono innocui solo quando i loro attivatori sono stati consumati o decomposti termicamente. Esistono due modalità di guasto comuni:
Flusso intrappolato sotto componenti a basso standoff.Il flussante sotto un QFN o un modulo RF schermato potrebbe non raggiungere la temperatura di piena attivazione, lasciando dietro di sé acidi organici deboli ancora attivi.
Diffusione del flussante dalla saldatura secondaria.Il flussante liquido proveniente dalla saldatura a onda o dalla saldatura manuale può migrare nelle aree SMT che non ricevono mai abbastanza calore per neutralizzarlo.
Le seguenti misure di processo riducono questi rischi:
Classificazione del flusso.Specificare un flussante a bassa attività secondo l’IPC J-STD-004. ROL0 o REL0, con un contenuto di alogenuri inferiore allo 0,05%, è una scelta comune per i progetti ad alta impedenza.
Controllo dei depositi.Il volume della pasta deve essere mantenuto sotto stretto controllo, perché un eccesso di pasta significa un eccesso di flussante. Il nostroStampante/dosatore a getto MYCRONICdeposita la pasta pad per pad su layout a passo fine e a dimensioni miste, e3D SPIverifica il volume del deposito prima del posizionamento.
Profilo di rifusione.Il profilo sul nostroForno a rifusione JTR-1200D-Ndovrebbe essere impostato per ottenere una completa attivazione del flussante così come una solida formazione del giunto.
Nessuna pulizia parziale.La pulizia mirata dei residui no-clean con IPA può sciogliere la resina protettiva e distribuire gli attivatori su un’area più ampia. Una scheda dovrebbe essere completamente pulita con un processo convalidato oppure lasciata così com’è dopo la saldatura.
Test ROSE: cosa mostra e cosa tralascia
Il test ROSE (Resistivity of Solvent Extract), definito in IPC-TM-650 2.3.25, estrae i residui ionici dall’intero assemblaggio e li riporta come valore equivalente di NaCl per unità di area.
Punti di forza di ROSE:
Rileva uno scostamento macroscopico del processo, come un cambio di lotto della pasta o una contaminazione introdotta durante la manipolazione.
Supporta il monitoraggio delle tendenze da lotto a lotto una volta che è stata stabilita una linea di base per una specifica scheda e un determinato processo.
Cosa manca a ROSE:
Il limite ampiamente citato di 1,56 µg/cm² di equivalente NaCl ha origine nelle specifiche militari degli anni ’70. A partire dalla Revision G Amendment 1, l’IPC J-STD-001 non lo considera più come un limite universale di accettazione/scarto. Invece, richiede prove oggettive che i livelli di residui siano accettabili per il prodotto e il processo specifici.
ROSE esegue una media sull’intera scheda, quindi una tasca concentrata di residui sotto un singolo QFN accanto a un partitore da 10 MΩ può essere diluita al di sotto della soglia di rilevamento.
Alcuni acidi organici deboli presenti nei residui no-clean si dissolvono poco nelle soluzioni di prova ROSE standard.
Per progetti critici in termini di perdite, gli OEM spesso aggiungonocromatografia ionica(IPC-TM-650 2.3.28) oprova della resistenza d’isolamento superficiale(IPC-TM-650 2.6.3.7) su un veicolo di prova rappresentativo nei loro piani di qualificazione. Questi test sono frequentemente eseguiti da laboratori indipendenti. Definire il metodo di prova e i criteri di accettazione nella documentazione di costruzione in modo che possano essere esaminati nella fase di preventivo.
Portabatterie e connettori: considerazioni sulla saldatura THT
La maggior parte dei sensori industriali utilizza supporti per batterie a bottone o connettori per batterie a foro passante, perché questi garantiscono un fissaggio meccanico affidabile in presenza di vibrazioni. Le loro giunzioni di saldatura presentano sfide specifiche.
Massa termica e riempimento dei fori
I contatti dei portapile sono spesso realizzati in acciaio spesso nichelato con elevata massa termica. Se l’apporto di calore è insufficiente, il risultato può essere giunzioni fredde e riempimento incompleto del foro passante. Per i fori metallizzati delle Classi 2 e 3, l’IPC-A-610 richiede generalmente almeno il 75% di riempimento verticale, con eccezioni limitate.
Nostrosistema automatizzato di saldatura selettiva a onda (ZSWHPS-11-2, con protezione ad azoto)affronta sia l’apporto di calore sia i residui di flussante:
Impostazioni per articolazione.I tempi di preriscaldo e di permanenza sono impostati per ciascuna giunzione, in modo che i contatti della batteria ad alta massa ricevano calore a sufficienza senza surriscaldare i componenti SMT vicini.
Protezione dall'azoto.L'atmosfera di azoto riduce l'ossidazione all'interfaccia della saldatura e migliora la bagnabilità sui contatti placcati.
Flussaggio localizzato.Il flussante viene applicato solo alle giunzioni selezionate invece che all’intero lato inferiore, il che limita il rischio di diffusione dei residui descritto sopra.
Limiti dell’alloggiamento in plastica
Molti supporti hanno involucri in plastica con resistenza al calore limitata. I parametri di saldatura dovrebbero quindi essere verificati in base alle specifiche di saldatura del produttore del supporto, e non solo in base al profilo generale della scheda.
Ispezione
AOI 3Dmisura l'altezza del cordone di saldatura, la sporgenza del terminale, i ponti di saldatura e l'inclinazione del supporto. L'inclinazione del supporto è una causa comune di contatto intermittente della cella.
Raggi X off-linepuò essere utilizzato per controllare il riempimento del barilotto sui contatti della batteria. L’AOI non può vedere all’interno del foro, quindi questo è il metodo per verificare il riempimento.
Ispezione ad anello chiuso.I nostri sistemi 3D SPI e 3D AOI funzionano in ciclo chiuso, così i risultati dell’ispezione vengono reinseriti nel processo di applicazione della pasta e lo stesso difetto non si ripete all’interno di un lotto.
Tracciabilità
NostroMES intelligente con tracciabilità UID e marcatura lasercollega ciascuna scheda serializzata ai relativi lotti di materiale e ai registri di processo. Se le unità sul campo mostrano una durata della batteria ridotta, questi registri aiutano a restringere l’indagine a uno specifico lotto o intervallo di processo.
Raccomandazioni DFM per schede sensore a basso consumo
Isolare i nodi ad alta impedenza.Fornire un’adeguata spaziatura attorno ai divisori nell’ordine dei MΩ e ai pin del cristallo, e aggiungere un anello di guardia quando il progetto lo consente.
Separare i giunti THT dai circuiti sensibili.Posizionare i portabatterie e gli altri componenti a foro passante lontano dai cristalli RTC e dai partitori ad alta impedenza.
Specificare la classe di flussosul disegno di assemblaggio, ad esempio “no-clean, J-STD-004 ROL0 o REL0”, piuttosto che solo “no-clean”.
Definisci i requisiti di pulizia per metodo.Indica quale test viene utilizzato per il monitoraggio del lotto e quale per la qualificazione del processo.
Scegli portapezzi adatti alla saldatura selettiva.Verificare un’adeguata distanza tra il terminale e il foro e alloggiamenti omologati per la temperatura di saldatura richiesta.
Indicare la classe IPC-A-610che si applica ai giunti di contatto della batteria.
Definire quando la cella viene installata.Se le celle devono essere montate dopo la consegna, indicarlo nella documentazione di assemblaggio in modo che il supporto non sia sollecitato durante l’assemblaggio.
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