התמודדות עם האתגרים הכרוכים ביישור קבוצות מחברים מרובות בין מעגלים מודפסים

יצרנים של מעגלים מודפסים (PCB – מע”מ) נמצאים תחת לחץ קבוע, שבא לידי ביטוי בדרישות להגדיל צפיפות, להקטין עקבת מעגל, לצמצם פרופילים, לנהל חום ולאפשר קצבי נתונים גבוהים יותר, והכל תוך כדי שיפור אמינות והפחתת עלויות. ובשעה שהם ממשיכים להגיב בהצלחה ללחצים אלו, צץ ועולה אתגר מעניין שעומד בפני אנשי התכנון: יישור קבוצות של ריבוי מחברים שמחוברים בין שני מעגלים מודפסים.

לפיכך, מה שנדרש הם קווי הנחייה ברורים בנוגע לאופן שבו אפשר לענות על הדרישות שמציבים אתגרי יישור אלו, בלי להתפשר על הביצועים, הצפיפות והאמינות של המערכת, ובאותו זמן לעמוד בתקציבים ובלוחות זמנים של יציאה לשוק, שמתהדקים והולכים בקביעות.

במאמר זה נדון ביתר פירוט באתגר הטמון ביישור (של המחברים), ובהמשך נתאר איך אפשר – בעזרת תהליכי התכנון הטובים ביותר – לעמוד בדרישות הסותרות של מעגלים מודפסים מתקדמים ושל מחברים אמינים יותר, בעלי צפיפות גבוהה יותר, באופן שגם יהיה כדאי מבחינת עלות.

מזעור הופך את יישור המחברים לקשה

קיימים וקטורים רבים לשיפור מעגלים מודפסים, בהם נכללים צפיפות, קצבי נתונים גבוהים יותר, ניהול חום ואמינות. עם זאת, לשיפורים אלו נוסף גורם המזעור, מגמה שמעמידה את אנשי התכנון תחת לחץ כאשר מדובר בבחירת מחברים ובמימושם, בייחוד בהקשר לחיבור של מחברים מרובים על מעגלים מודפסים.

במקרה של מחברים, המזעור הביא להקטנה של המרווחים (pitch) שהצטמצמו מ- 0.100 אינטש (2.54 מ”מ) ל- 0.016 אינטש (0.40 מ”מ) – במהלך 25 השנים שחלפו – הקטנה של פי שישה, אשר בהתאמה יוצרת צורך בטולראנסים (אפיצויות) הדוקים יותר. ואולם, טולראנסים הדוקים יותר כשלעצמם, אינם הבעיה. הבעיה נעוצה בהשתנות (variability) סביב הטולראנסים הנומינליים: אם מחברים מרובים ישתנו לאחת מבין נקודות הקיצון של הערך הנומינלי, יש סבירות רבה יותר שבעיות יצוצו.

איור 1: ליישומים עם מחבר יחיד שמתחבר (למעלה) אין טולראנסים שמצטברים ותכונות היישור של המחבר ברמות המיקרו והמאקרו יבטיחו יישור מושלם. ריבוי של מחברים מציג טולראנסים שיצטברו ויגרמו לשגיאות יישור. (מקור התמונה: Samtec Inc.)

עם זאת, התוספת של עוד קבוצות של מחברים שמתחברים אל אותו כרטיס אם–ביניים – בכל כיוון ובכל מרחק – תציג כמה טולראנסים שיצטברו (איור 1, בחלק התחתון). הטולראנסים האלו ייחודיים לסדנת מפעל הייצור של המעגלים המודפסים, לשירות של הייצור האלקטרוני ולתכונות של החומרים המשמשים במעגלים המודפסים.

לצורך הבהרה, נחשוב על מערכת של ריבוי מחברי ביניים (איור 2). מכלול זה מורכב משישה רכיבים או יותר: מעגל האם (A), כרטיס ביניים (B), מחבר נקבה מספר 1 (C), אשר מתחבר למחבר זכר מספר 1 (D), ומחבר נקבה מספר 2 (E), אשר מתחבר למחבר זכר מספר 2 (F).

 

 

אם מחברי ביניים ומעגלים מודפסים קשיחים במידה מספקת היו מיוצרים, מעובדים ומורכבים בהתאם לתנאים הנומינליים המדויקים, אפשר היה לפרוש בהצלחה מספר אינסופי של מחברים בין שני המעגלים המודפסים. במציאות, ההשתנויות בטולראנסים ובתכונות של החומר הופכות להיות גורמים מגבילים או קובעים. במקרה של איור 1, על אנשי התכנון לשקול ולקחת בחשבון את הטולראנסים של כל הרכיבים, לרבות הטולראנסים של שני המעגלים המודפסים (A) ו- (B), שעל אף חשיבותם, נזנחים לעיתים קרובות כל כך.

איך מתמודדים עם הבעיה של יישור מעגל מודפס ומחבר

חלק מהרכישות של מעגלים מודפסים מבוקר רק על ידי המפרטים המוטבעים בחבילות Gerber (איור 3). ניתן לבנות מעגלים מודפסים בעזרת חבילות אלו, ללא כל התחשבות בטולראנסים המכניים.

עבור יישומים של ריבוי מחברים, יש לצרף לחבילות האלו שרטוטים מכניים נפרדים אשר מכתיבים את הטולראנסים של התדמית (artwork), הקידוח והניתוב.

זו הנקודה שבה המתכנן צריך לעשות דבר אחד או שניים שיעזרו לו להבטיח תוצאה מוצלחת. ראשית הוא צריך לדעת למה עליו לצפות מספק המעגלים המודפסים ומספק המחברים, על מנת להבטיח יישור. שנית, עליו לוודא שהוא ביצע מחקר טולראנסים ברמת מערכת, כדי לקבוע את חוסר היישור בין המחברים, שנוצר מתוך התכנון שלו.

אם נחזור לרגע למערכת כרטיס הביניים בריבוי מחברים שמוזכרת באיור 2, מ- A עד F, ספק המחברים יכול לשלוט בטולראנסים של המחברים. ספק מחברים טוב יעמוד בדרישות הביצועים שפורסמו או אפילו יעלה עליהן, ויביא לידי ביטוי את הטולראנסים ואת המלצות העיבוד של המעגל המודפס, ואפילו יספק לספקי המעגלים המודפסים חומר עזר והמלצות לציוד, כפי שיידרש.

מתכנני מערכות או מתכנני מוצר אמורים להתייחס לעקבת המעגל של המחבר ולמפרט הטכני של המוצר. את מפרטי חוסר היישור הנכללים בתיעוד זה, יש להשוות לתוצאות של מחקר הטולראנסים ברמת מערכת, כדי לעזור ולהבטיח את השימוש המוצלח של ריבוי מחברים בתוך אותו כרטיס.

מערכת המחברים צריכה לפעול בצורה תקינה כל עוד אין חריגה של הזווית הראשונית והסופית וחוסר היישור הליניארי. ערכי חוסר יישור אלו מחושבים על ידי לקיחה בחשבון של גורמים כגון ממשקי בידוד, סטיית קרן (beam deflection) ומשטחי מגע. חריגה מהערכים של חוסר יישור יכולה להסתיים במעגלים ו/או במבודדים פתוחים או פגומים.

אמנם למתכננים יש בדרך כלל את כל המידע הדרוש בקצות אצבעותיהם בהקשר לתכנון שלהם, לטולראנסים של רכיבים, לציוד ויכולות הייצור, חשוב שיהיו מסוגלים גם לפנות אל יצרן המחברים לקבלת הנחיות ייחודיות נוספות ואימות של הצטברות טולראנסים של חוסר יישור.

פיני יישור שאינם מתאימים ליישומים של ריבוי מחברים

כמה מבין יצרני המחברים מציעים פיני יישור אופציונליים, שנמצאים בדרך כלל בצדדים המנוגדים לתחתית של המחבר (איור 4). פינים אלו עוזרים בהצבה ידנית ואפשר להשתמש בהם כדי ליצור קיטוב בין המחבר אל המעגל המודפס, וביישומים של מחבר יחיד, אין הם תורמים להצטברות הטולראנסים הכוללת.

 

ואולם, ליישומים של ריבוי מחברים, פיני היישור אינם מומלצים מפני שהם תורמים להצטברות הטולראנסים הכוללת. אם עדיין רצוי לקבל קיטוב במעגל המודפס, אפשרות טובה יותר היא לקדוח חורים בגודל עודף במעגל המודפס ולהציב את המחברים בהצבת מכונה.

באופן דומה, השימוש באביזרי קיבוע או בפינים (dowel) שיעזרו בהצבת המחבר, אינו מומלץ. מתודולגיות אלו מסתמכות לעתים קרובות על חור שנקדח במעגל המודפס ביחס לתדמית, אבל הטולראנס של מיקום החור הזה יהיה לרוב גרוע, ולכן יקטין את הדיוק הכללי של הצבת המחבר הסופי ביחס למחבר האחר.

גישה טובה יותר של יישומים בריבוי מחברים היא לחשב את הנתונים של כל איוני (pad) ההלחמה ממיקום A1 במערך רפידות ההלחמה A, ולאחר מכן, להשתדל להציב במדויק את המחברים על הרפידות לפני הלחמת הגל.

אבטחת מעגלים מודפסים עם בורגי כוונון

ליישומים מסוימים קשיחים במיוחד ייתכן שיהיה צורך להשתמש בבורגי כוונון (jack screw) כדי לאבטח את שני המעגלים המודפסים. במקרים אלו, יש להציב את הברגים קרוב ככל האפשר אל מערכת המחברים (איור 5).

הנחתם של הברגים קרוב, תגרום ליצירת מאמצים מקומיים בקרבת המחבר, ולהקטנת המפתח שאינו נתמך של המעגל המודפס. מפתחים מוגדלים יגרמו למאמצי כפיפה במעגל המודפס אשר יכולה להיות להם השפעה פוגענית על רכיבים אחרים, במיוחד על אלו שנמצאים בהתקנה משטחית.

מקור נוסף של מאמץ במעגל המודפס שנובע מהמחבר, הוא עומס, כאשר מספר משמעותי של כניסות ויציאות (I/O) יכול ליצור כוחות חיבור/ ניתוק גדולים בצורה קיצונית. כוחות אלו יכולים לגרום לסטיות מוגזמות במעגל המודפס, עד לנקודה שבה תידרש הקשחה נוספת כדי לתמוך במעגלים המודפסים. תמיד חשוב לאשר את כוחות החיבור והניתוק של המחברים, כפי שהם מופיעים בדוחות הבדיקה של הכשרת המוצר (product qualification) (איור 6).

איור 6: על מנת להימנע מעומס מוגזם, המתכננים צריכים תמיד לאשר את כוחות החיבור והניתוק של המחברים, כפי שהם מופיעים בדוחות הבדיקה של הכשרת המוצר. (מקור התמונה: Samtec Inc.)

מסקנות

שעה שמגמות מזעור הפכו למאתגרות יותר, עדיין אפשר להשתמש בקבוצות של ריבוי מחברים על שני מעגלים מודפסים, בעזרת תהליכי התכנון הטובים ביותר. אלו כוללים ביצוע מחקר טולראנסים של המערכת כדי לקבוע את חוסר היישור של המחברים, לציית לעקבות המעגל המומלצות על ידי יצרן המחברים, להמלצות התכנון של האמה (stencil) והרכיבים בהצבת מכונה.

תמיד רצוי לעבוד בשיתוף פעולה צמוד עם ספקי המחברים בשלב מוקדם של תהליך התכנון, מפני שהם יכולים להשיא עצות לגבי הסוגים של המחברים וההצבה, וכן לספק עצות לגבי הדרך שבה ניתן למזער את המאמצים הכוללים על המעגל המודפס ועל המחברים, כדי לעזור להבטיח תכנון מוצלח.

על אודות המחבר:

קווין מרדית’ [Kevin Meredith] – בעל 27 שנות ניסיון בתכנון ובתעשייה בתחום המחברים – נושא היום בתפקיד של ‘מהנדס המוצר’ בחברת Samtec Inc., כשמאחוריו ניסיון קודם בחברת 3M ו-Robinson Nugent. קווין בעל תואר מהנדס מכני, והוא בוגר בית הספר להנדסה באוניברסיטה Louisville J.B. Speed School of Engineering.

---