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Studio di caso: PCB del sensore contatore assiali di tracciato
In un sistema di segnalamento ferroviario, un contata sbarre utilizza sensori a bordo binario per rilevare il passaggio delle ruote e aiutare a determinare se una sezione di binario è occupata o libera. Il PCBA in questo progetto si trova all'inizio di tale processo, dove sono essenziali un'affidabile rilevazione delle ruote e l'elaborazione del segnale.
PCBCool Recentemente abbiamo lavorato su un circuito stampato per un sensore di rilevamento ruote a bordo pista per questo tipo di sistema di conteggio assali. Abbiamo selezionato il progetto come caso di studio rappresentativo per mostrare come è progredito dallo sviluppo del prototipo al successivo programma di produzione.
Nota: questo studio di caso è pubblicato con il permesso del cliente e il cliente lo ha revisionato prima della pubblicazione.
Contesto del progetto
Il cliente è una filiale europea indipendente di un gruppo tecnologico ferroviario globale fondato nel 1938, con oltre 50.000 dipendenti in tutto il mondo. Il gruppo fornisce infrastrutture ferroviarie e apparecchiature di segnalamento, inclusi sistemi di conteggio degli assi, circuiti di binario, segnali ferroviari e sistemi di controllo degli scambi, ai principali operatori ferroviari in tutta Europa.
Per questo progetto, il cliente ha selezionato il servizio chiavi in mano di PCBCool. La collaborazione è iniziata con 20 prototipi assemblati e successivamente si è estesa a un programma continuo di 800 schede PCBA, coprendo otto varianti di schede correlate utilizzate all'interno dello stesso sistema di segnalamento.
Specifiche PCB
| Parametro | Specifica |
|---|---|
| Progettazione PCB | Scheda PCB a 6 strati progettata in Cadence Allegro 25.1 |
| Formato bacheca | Scheda sensore lunga e stretta a lato binario con pad di terminali su entrambe le estremità |
| Materiale di base | FR-4 ad alta Tg, Tg ≥170°C |
| Spessore finito | 1,6 mm tipico |
| Peso del rame | strati esterni da 1 oncia; strati interni da 0,5–1 oncia |
| Finitura superficiale | ENIGMA |
| Minimo Traccia / Spazio | 5 mil / 5 mil (0,127 mm) |
| Dimensione minima trapano | 0,2 mm |
| Tolleranza di foratura | ±0,05 mm |
| Processi Speciali | Via-in-pad e controllo dell'impedenza |
Riferimenti alla progettazione ferroviaria
| Standard | Applicazione |
|---|---|
| EN 50125 | Condizioni ambientali per le apparecchiature ferroviarie |
| EN 50121 | Requisiti di compatibilità elettromagnetica ferroviaria |
| EN 50155 | Requisiti delle apparecchiature elettroniche utilizzate come riferimento di progettazione del progetto |
Componenti principali della distinta base
| Funzione | Componente |
|---|---|
| ACU | ST STM32U073RCI6 |
| Convertitore buck | TI TPS62840DLC |
| Sensore magnetico | Sensore a effetto Hall 3D TI TMAG5173A2-Q1 |
| Sensore di temperatura e umidità | TI HDC3022QDEFRQ1 |
| Traduttore di Livello | Traduttore di livello TI TXU0104RUTR a 4 bit |
| Protezione del circuito | Array TVS Littelfuse SC3051-04HTG |
| Orologio | Cristallo Abracon da 32.768 kHz |
| Condensatori | Murata condensatori da 4,7 µF, 10 µF e 100 nF |
| Induttore | Induttore da 2,2 µH |
| Resistori | Resistenze Vishay |
| Distinta base | 16 righe di articoli |
Requisiti di assemblaggio
| Parametro | Requisito |
|---|---|
| Approvvigionamento Componenti | Approvvigionamento di componenti chiavi in mano 100% |
| Processo di assemblaggio | assemblaggio SMT, inclusi pacchetti senza piombo BGA, QFN e altri |
| Rivestimento protettivo | Rivestimento conformale per la protezione ambientale dei bordi pista |
| Assemblaggio connettore | Saldatura a onda selettiva per connettori a foro passante |
| Ispezione | AOI e Ispezione a raggi X |
| Test | Test elettrici prima della spedizione |
Sfide del progetto
La difficoltà di questo progetto non è derivata da una singola specifica tecnica, ma da diversi vincoli che si sono presentati contemporaneamente.
Il circuito stampato utilizzava una costruzione a 6 strati con strutture via-in-pad e piste e spaziatura di 5 mil. Complessivamente, queste caratteristiche richiedevano un livello di controllo di processo che si avvicinava a Produzione HDI e aumentato il rischio di produzione. Poiché alcune vie erano posizionate direttamente nei pad dei componenti, qualsiasi perdita di saldatura nella via o irregolarità sulla superficie del pad poteva influire sull'alloggiamento del componente e sulla coerenza delle giunzioni saldate. Con un ordine iniziale di sole 20 schede, c'era anche poco margine di resa.
Il BOM di 16 righe ha aggiunto una sfida di approvvigionamento separata. Includeva sensori qualificati per l'automotive e diversi componenti con disponibilità limitata o incerta. Ogni componente doveva corrispondere alle specifiche approvate, rimanere tracciabile e arrivare in tempo per l'assemblaggio. L'approvvigionamento dei componenti non è stato quindi un compito amministrativo separato; è diventato parte integrante del programma di produzione.
I prototipi dovevano anche arrivare entro la finestra di collaudo fissa del cliente. Progetti a basso volume e con breve preavviso spesso comportano tempi di consegna più lunghi e premi per piccoli lotti, soprattutto quando la fabbricazione e l'assemblaggio dei PCB sono gestiti da fornitori diversi.
Questo era il modello che il cliente stava davvero testando:
Se un partner potesse gestire produzione ad alta affidabilità, produzione a basso volume e tempi di consegna rapidi senza dividere la fabbricazione e l'assemblaggio di PCB tra fornitori separati.
Soluzione ingegneristica
Dopo aver esaminato queste sfide, il nostro team di ingegneri ha adottato le seguenti misure:
- Per Via-in-Pad
I via presenti all'interno dei pad del componente sono stati riempiti, planarizzati e placcati. Il riempimento ha chiuso il percorso che altrimenti poteva attrarre la lega saldante nel foro durante saldatura a rifusione, mentre la planarizzazione e la placcatura ripristinavano una superficie piana per la saldatura dei componenti.
- Per Linea Sottile
L'imaging diretto è stato utilizzato per il pattern trace-and-space da 5 mil anziché l'esposizione convenzionale su pellicola, riducendo la variazione di registrazione causata dal movimento o dal cambiamento dimensionale del fotoutensile. Incisore assistito da vuoto ha migliorato la circolazione dell'attacco in tutto il pannello e ridotto il ristagno della soluzione, contribuendo a mantenere la larghezza e la spaziatura del conduttore previste.
- Per l'approvvigionamento di componenti
Tutte le 16 voci della distinta base sono state reperite tramite canali autorizzati e tracciabili e verificate rispetto ai numeri di parte del produttore approvati e alle specifiche di imballaggio. L'approvvigionamento è iniziato parallelamente alla fabbricazione dei PCB in modo che la disponibilità dei componenti non ritardasse il programma di assemblaggio.
- Per l'assemblaggio di PCBA
La scheda combinava dispositivi senza piombo a passo fine nell'area sensore centrale con pad terminali grandi su entrambe le estremità. Le impostazioni di posizionamento e riflusso sono state quindi pianificate per accogliere entrambi i tipi di componenti all'interno dello stesso flusso di produzione. Una volta completato l'assemblaggio, le schede sono state trasferite direttamente all'ispezione e ai test senza essere affidate a un fornitore separato.
Sforzi di Assicurazione Qualità
I controlli di qualità sono stati eseguiti in ogni fase del progetto anziché solo dopo l'assemblaggio:
| Cancello | Concentrati | Controlli chiave |
|---|---|---|
| Controllo qualità | Materiali e componenti |
|
| IPQC | Fabbricazione e assemblaggio |
|
| OQC | PCBA Finito |
|
Per questo progetto, l'ispezione a raggi X era obbligatoria perché le saldature dei componenti leadless erano nascoste sotto il package.
Considerazioni finali
Il prototipo da 20 pezzi ha fatto più che dimostrare che la scheda poteva essere costruita. Ha mostrato che PCBCool poteva gestire il progetto in modo sufficientemente affidabile da ottenere la fiducia continua del cliente e ulteriori lavori.
Se stai cercando un vero partner produttivo, non solo un fornitore per un singolo ordine, considera PCBCool per il supporto dallo sviluppo del prototipo fino alla produzione ripetuta.
Domande frequenti
Non sempre. Le vie situate all'interno di pad di saldatura attivi vengono solitamente riempite, mentre le vie termiche possono utilizzare altri trattamenti a seconda del design dell'assemblaggio.
I rischi principali includono il wick di saldatura, il dimpling della superficie, il riempimento incompleto e la scarsa planarità dei pad.
No. Un via da 0,2 mm è spesso lavorato meccanicamente. Secondo le linee guida IPC, i microvia utilizzati nelle strutture HDI sono generalmente limitati a diametri di 150 µm o inferiori.
A: Registrazione dell'immagine, spessore del rame, uniformità dell'attacco chimico e dimensioni finali del conduttore richiedono un controllo più rigoroso poiché piccole variazioni possono consumare gran parte del margine di processo disponibile.
L'imaging diretto riduce la variazione di registrazione associata ai fotoroteologi fisici e fornisce un migliore controllo delle caratteristiche fini attraverso il pannello di produzione.
Migliora lo scambio dell'acido sull'intera piastra, riduce l'accumulo di soluzione e l'incisione laterale irregolare, e aiuta a mantenere larghezze e spaziature di traccia più uniformi.
A: La revisione dovrebbe coprire il trattamento via-in-pad, le tolleranze anello anulare e trapano, il gioco rame-bordo, la capacità di linea sottile, la geometria del pad, le aperture della maschera di saldatura, lo stackup e l'accesso per il test.
Andy è un professionista esperto del settore dei PCB con decenni di esperienza nella produzione, assemblaggio e assistenza clienti di PCB. Presso PCBCool, guida il team di marketing e aiuta a trasformare l'esperienza pratica di progetto in contenuti tecnici utili per ingegneri, acquirenti e sviluppatori di prodotti.
