Uno dei parametri di affidabilità più importanti che influenzano la funzionalità di tutti i moderni strumenti diagnostici è l’affidabilità termica. Nelle applicazioni di elettronica medicale, sia che si tratti di diagnostica molecolare, piattaforme di automazione di laboratorio, sistemi di imaging o dispositivi di test point-of-care, l’elettronica deve essere in grado di svolgere le proprie funzioni in modo continuativo, con una stabilità dell’accuratezza di misura per molti anni di vita operativa.
Sebbenegestione termicaspesso è considerato come dissipatori di calore, flusso d’aria e selezione dei componenti, molti problemi di affidabilità possono iniziare alLivello di assemblaggio PCBLe prestazioni del sistema possono degradarsi nel tempo a causa di sollecitazioni termiche indotte dalla produzione, difetti causati dall’umidità o degrado delle giunzioni di saldatura molto tempo dopo che i prodotti hanno superato i test funzionali.
Tuttavia, per le startup di dispositivi medici e i team di R&S, l’affidabilità termica rappresenta una sfida in fase di progettazione e produzione. La capacità di regolare lo stress termico durante l’assemblaggio, verificare l’accuratezza delle giunzioni di saldatura e garantire la completa tracciabilità del processo può essere il fattore decisivo che determina se un prodotto funzionerà in modo affidabile nell’ambiente clinico.
In PCBCart, aiutiamo gli innovatori in campo medico ad affrontare queste sfide attraverso la produzione elettronica medicale High-Mix Low-Volume (HMLV), combinando processi di assemblaggio avanzati, standard di lavorazione IPC Classe 3 e tracciabilità tramite Smart MES per offrire un controllo qualità di livello Tier-1 senza i vincoli imposti dai requisiti di produzione ad alto volume.
Perché l’affidabilità termica è importante nel PCBA degli strumenti diagnostici
Il ciclo termico è un fenomeno inevitabile durante il funzionamento continuo di uno strumento diagnostico nel corso della sua vita operativa. Il calore generato da processori integrati, circuiti di gestione dell’alimentazione, moduli di imaging ed elettronica che condiziona i sensori provoca punti caldi localizzati che causano l’espansione e la contrazione ripetute dei componenti elettronici, dei giunti di saldatura e dei materiali dei PCB.
I due principali meccanismi di guasto
Dal punto di vista della produzione, i problemi di affidabilità termica si manifestano generalmente in due modi principali: l’affaticamento dei giunti di saldatura e il delaminarsi dei PCB multistrato.
Durante i cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento a cui sono sottoposti i giunti di saldatura, le differenze nel coefficiente di dilatazione termica (CTE) dei componenti, delle leghe di saldatura e dei substrati PCB generano sollecitazioni meccaniche nel giunto di saldatura e portano all’affaticamento del giunto stesso. Nel tempo, queste sollecitazioni possono causare microfessure, cedimenti delle strutture di saldatura e determinare guasti elettrici intermittenti o permanenti. Ad esempio, gli assiemi con BGA, package ceramici di grandi dimensioni oprogetti multistratocon un'alta densità sono particolarmente vulnerabili.
Nel frattempo, l’umidità assorbita dai laminati dei PCB può rappresentare un rischio di affidabilità nascosto. Durante la saldatura, l’acqua intrappolata si trasforma rapidamente in vapore nel saldatore riscaldato. Questa espansione può causare danni alle strutture interne della scheda, con conseguente delaminazione degli strati, criccatura del barilotto e riduzione dell’integrità meccanica. Questi difetti possono essere interni e potrebbero essere identificati solo dopo un prolungato funzionamento sul campo.
Il produttore di apparecchiature elettromedicali ha la sfida non solo di individuare queste modalità di guasto, ma anche di riuscire a eliminarle nel prodotto prima che il prodotto venga messo in servizio.
Controllo dello stress termico durante l'assemblaggio
Il grado di sollecitazione termica applicata durante l’assemblaggio è un fattore fondamentale per l’affidabilità dell’assemblaggio. Un rigoroso controllo dell’umidità, una riduzione della deformazione della scheda e profili di temperatura accurati durante la saldatura sono essenziali per una buona gestione termica durante il processo di produzione.
Un approccio a tre strati per la riduzione dello stress termico
La prima linea di difesa è il controllo dell’umidità. I circuiti sensibili all’umidità di PCBCart vengono pre-cotti per 4-8 ore in condizioni controllate prima dell’assemblaggio. L’umidità assorbita dal circuito prima della saldatura viene eliminata, riducendo così il rischio di delaminazione causata dal vapore, soprattutto per i circuiti multistrato in progetti complessi, come quelli degli strumenti diagnostici.
Il secondo strato si concentra sulla stabilità meccanica durante il riflusso. L’esposizione a temperature più elevate può causare deformazioni di grandi PCB multistrato, portando a problemi di coplanarità e alla formazione irregolare dei giunti di saldatura. I supporti in pietra sintetica vengono impiegati per sostenere la scheda e mantenerla dimensionalmente stabile durante il processo di riflusso vero e proprio, al fine di contrastare questi rischi.
L’ultimo passaggio è una profilazione termica accurata. Temperature di picco, differenze di temperatura e velocità di raffreddamento troppo alte o troppo basse possono portare a elevate tensioni residue nei giunti di saldatura e far sì che i meccanismi di fatica a lungo termine si manifestino più rapidamente. Con il forno di rifusione JTR-1200D-N vengono creati profili di temperatura specifici per il prodotto per controllare con attenzione le velocità di salita, le zone di preriscaldo, le temperature di picco e il raffreddamento. L’obiettivo è creare giunti di saldatura che siano al tempo stesso conformi ai requisiti e minimizzino le tensioni residue che possono influire sull’affidabilità del prodotto nel tempo.
Questi tre controlli di processo costituiscono una base di produzione che può essere utilizzata per ridurre al minimo i rischi di guasto causati dalle variazioni di temperatura prima che il prodotto venga utilizzato in ambito clinico.
Riduzione dell'esposizione termica secondaria durante la saldatura
Un gran numero di gruppi di strumenti diagnostici utilizza una combinazione di tecnologie SMT e a foro passante. Questo metodo ibrido di tecnologia è molto flessibile in termini di progettazione, ma può anche causare un eccessivo stress termico se i processi di saldatura non sono ben controllati.
Perché la saldatura a onda selettiva è importante
Dopo il riflusso dei componenti SMT, qualsiasi ulteriore riscaldamento può sottoporre gli assiemi a uno stress termico secondario. L’esposizione a temperature elevate e ripetute può causare un degrado prematuro delle giunzioni di saldatura, sollecitare i componenti e compromettere l’affidabilità a lungo termine.
Per ridurre questo rischio, PCBCart utilizza la tecnologia di saldatura a onda selettiva ZSWHPS-11-2. Rispetto alle tecniche convenzionali di saldatura a onda, che riscaldano un’ampia area dell’assemblaggio, la saldatura selettiva è altamente specifica e riscalda solo i punti precisi dei fori passanti.
Questo processo localizzato consente di ridurre l’impatto termico sui componenti SMD vicini e garantisce una qualità costante della saldatura a foro passante. La saldatura selettiva è un metodo migliorato e affidabile di assemblaggio a tecnologia mista per componenti elettronici delicati con circuiti analogici di precisione, moduli di imaging o componenti sensibili alla temperatura.
Verifica dell’affidabilità oltre il processo di saldatura
Anche con il miglior sistema di controllo dell’assemblaggio, la verifica oggettiva è comunque necessaria. L’affidabilità non è un dato di fatto, deve essere dimostrata tramite requisiti di lavorazione e metodi di collaudo avanzati.
Classe IPC 3 come standard di accettazione
Quando l’assemblaggio di PCB secondo la classe 3 IPC viene utilizzato come criterio di assemblaggio di strumenti diagnostici per il funzionamento a lungo termine, esso viene impiegato come base per l’accettazione della qualità.
Particolare enfasi è posta alle giunzioni di saldatura a foro passante, in cui la quantità di materiale di saldatura ha un effetto diretto sulla resistenza meccanica e sulla tolleranza alla dilatazione termica. Gli assiemi sono convalidati perStandard IPC Classe 3con un obiettivo di riempimento dei fori passanti pari al 75% o più per favorire la durata a lungo termine. Un’elevata quantità di riempimento del barilotto contribuisce ad aumentare la resistenza del barilotto e le giunzioni saldate resistono a molteplici cicli termici durante la vita del prodotto.
Combinazione di AOI 3D e AXI per il rilevamento dei difetti
L’ispezione è molto importante per individuare difetti che potrebbero compromettere l’affidabilità termica.
I sistemi AOI 3D avanzati sono in grado di misurare la consistenza del volume di saldatura, l’accuratezza del posizionamento dei componenti e la qualità superficiale dell’assemblaggio con una precisione molto superiore rispetto alle tecniche di ispezione tradizionali. Quando i giunti saldati non sono visibili, l’Ispezione automatizzata a raggi X (AXI) fornisce una valutazione aggiuntiva delle connessioni BGA, dei livelli di vuoti interni, delle condizioni di saldatura insufficienti e di altri difetti nascosti.
L’AOI 3D e l’AXI costituiscono una soluzione di ispezione completa in grado di individuare sia i problemi di assemblaggio visibili sia quelli nascosti prima che i prodotti entrino in servizio.
Portare il controllo qualità di livello 1 nella produzione medicale HMLV
È una scelta difficile che le startup di dispositivi medici devono affrontare frequentemente. I fornitori a basso volume possono essere flessibili ma potrebbero non avere un'infrastruttura di qualità avanzata, mentre i grandi produttori spesso dispongono di controlli di processo sofisticati solo per programmi ad alto volume.
Affrontare le sfide di MOQ e qualità
L'idea di PCBCart è stata creata per eliminare tale compromesso.
Il nostro modello di produzione HMLV è progettato per essere flessibile, pur mantenendo la stessa filosofia di controllo dei processi che si trova normalmente in un ambiente di produzione su larga scala. Apparecchiature avanzate come la stampa a getto, la SPI 3D, l’AOI, l’AXI, la saldatura a rifusione di precisione e la saldatura selettiva a onda operano tutte integrate in un ecosistema di produzione guidato da un MES intelligente, in cui la tracciabilità totale può essere facilmente mantenuta dall’assemblaggio all’ispezione.
Tutti i principali parametri di produzione vengono registrati digitalmente e collegati all’intero processo produttivo. Ciò consente un’analisi rapida delle cause alla radice, un miglioramento continuo dei processi e una maggiore garanzia di affidabilità del prodotto in futuro per i produttori di dispositivi medici.
Il risultato è un controllo qualità di livello Tier-1, senza compromettere la flessibilità per prototipi, NPI e programmi di produzione a basso volume: una soluzione ideale per i team di R&D e le nuove aziende di dispositivi medici.
L’affidabilità termica del PCBA degli strumenti diagnostici è molto più della sola selezione dei componenti e della simulazione termica. Le prestazioni a lungo termine dipendono da processi produttivi che limitano l’esposizione all’umidità, riducono lo stress termico, salvaguardano gli assiemi sensibili e sono in grado di garantire l’integrità delle giunzioni di saldatura durante la produzione.
I produttori di dispositivi medici possono utilizzare le procedure di pre-cottura controllata di 4-8 ore di PCBCart, l’ispezione AOI 3D, l’avanzata ispezione AXI 3D, la saldatura selettiva a onda ZSWHPS-11-2, la verifica secondo la Classe 3 IPC e la tracciabilità tramite Smart MES per creare assemblaggi che funzioneranno in modo affidabile anche negli ambienti più estremi riscontrabili nell’uso clinico.
Contattaci e lascia che il nostro team di ingegneri valuti il tuo progetto per individuare rischi di affidabilità termica, miglioramenti alla producibilità e le prestazioni a lungo termine dello strumento diagnostico prima dell’inizio della produzione.
Risorse utili
•Un'introduzione completa alla PCBA
•Processo di assemblaggio dei circuiti stampati
•Misure di controllo del processo per eliminare i difetti nell’assemblaggio SMT
•Saldatura a onda vs. saldatura selettiva per l’assemblaggio PCB
•Standard essenziali per l'assemblaggio di PCB medicali
