شرح عملية تجميع لوحات الدوائر المطبوعة بتقنية SMT

تُعدّ تقنية التجميع السطحي (SMT) الطريقة السائدة لتجميع لوحات الدوائر الحديثة: حيث تُوضع المكونات مباشرةً على نقاط التوصيل على سطح اللوحة وتُلحم دفعةً واحدة في فرن إعادة التدفق. وهي التي تُتيح إنتاج الإلكترونيات الصغيرة والكثيفة وعالية الإنتاجية اليوم. يشرح هذا الدليل ماهية لوحة الدوائر المطبوعة بتقنية SMT، وكيفية عمل خط التجميع خطوةً بخطوة، ومقارنة التجميع السطحي بالتجميع عبر الثقوب، وأنواع حزم المكونات الشائعة، وكيفية تصميم لوحة تُجمّع بسلاسة، وكيفية فحص واختبار اللوحات النهائية.

ما معنى تقنية SMT ولماذا تهيمن؟

في تقنية التثبيت السطحي، تحتوي المكونات على أطراف أو أسلاك صغيرة تُلحم مباشرةً على نقاط التلامس الموجودة على سطح اللوحة، بدلاً من الأرجل التي تمر عبر ثقوب محفورة. يمكن للوحة أن تحمل المكونات على كلا الجانبين، ويتم لحام المجموعة بأكملها في عملية واحدة عبر فرن إعادة التدفق.

تُهيمن تقنية التجميع السطحي (SMT) لأسبابٍ ملموسة. فمكونات التجميع السطحي أصغر بكثير من نظيراتها ذات الثقوب، مما يجعل اللوحات أكثر كثافةً وتماسكًا. وتتميز هذه العملية بأتمتة عالية، ما يجعلها سريعة وقابلة للتكرار وفعّالة من حيث التكلفة عند الإنتاج بكميات كبيرة. كما أنها تدعم الحزم ذات المسافة الدقيقة وعدد الأطراف الكبير التي تتطلبها الرقائق الحديثة. وتُعدّ تقنية التجميع السطحي الخيار الافتراضي في معظم الأجهزة الإلكترونية الحالية، ولذلك فإنّ خط التجميع السطحي هو القدرة الأساسية لأي مُجمِّع، فهو جوهر عملية تجميع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).

خط تجميع تقنية التجميع السطحي (SMT)، خطوة بخطوة

خط إنتاج SMT عبارة عن سلسلة من الآلات، تقوم كل منها بمهمة واحدة ثم تسلم اللوحة إلى الآلة التالية. إن فهم هذا التدفق يجعل قواعد التصميم لاحقاً أكثر منطقية.

1. طباعة معجون اللحام

تُوضع استنسل من الفولاذ المقاوم للصدأ فوق اللوحة الإلكترونية، ثم يُوزّع معجون اللحام، وهو مزيج من جزيئات اللحام الدقيقة ومادة الصهر، عبر فتحات الاستنسل على نقاط التوصيل. تتحكم فتحات الاستنسل بدقة في كمية المعجون التي تصل إلى كل نقطة توصيل، وتُعدّ هذه الكمية الدقيقة أساسًا لوصلات لحام جيدة.

2. فحص معجون اللحام (SPI)

يقوم نظام آلي بفحص المعجون المطبوع، وحجمه، وموضعه، وشكله على كل وسادة، قبل وضع أي مكونات. إن اكتشاف مشكلة في المعجون هنا أرخص بكثير من اكتشاف عيب بعد إعادة اللحام، لذا يُعد فحص المعجون المطبوع (SPI) معيارًا أساسيًا للجودة في أعمال الطباعة الدقيقة.

3. الالتقاط والوضع

تقوم آلات عالية السرعة بانتقاء المكونات من البكرات والصواني ووضعها بدقة متناهية على نقاط التثبيت المُلصقة، بمعدل آلاف عمليات التثبيت في الساعة. تحافظ لزوجة المعجون على كل جزء في مكانه حتى عملية اللحام. دقة التثبيت هي ما يسمح بتجميع الأجزاء الصغيرة والرقائق ذات المسافات الدقيقة بكفاءة عالية.

4. لحام إعادة التدفق

تُمرر اللوحة المُجهزة بالمكونات عبر فرن إعادة التدفق ذي درجة حرارة مضبوطة بدقة، حيث تُسخن مسبقًا، ثم تُترك لتنضج، ثم تصل إلى ذروة تُذيب اللحام (حوالي 245 درجة مئوية للسبائك الخالية من الرصاص)، ثم تُبرد. يذوب المعجون ويُشكل وصلات اللحام، ثم يتصلب مع تبريد اللوحة. تُضبط درجة الحرارة وفقًا للوحة ومكوناتها، وتتطلب الركائز الحساسة عناية خاصة، ولهذا السبب تُصنع اللوحات ذات الحرارة العالية باستخدام درجات حرارة مناسبة لتجميع المكونات ذات النواة المعدنية.

5. الفحص البصري والفحص بالأشعة السينية الآلي

بعد عملية إعادة اللحام، يتم فحص الوصلات المرئية وموضع المكونات باستخدام الكاميرات عبر الفحص البصري الآلي (AOI). أما بالنسبة للحزم التي تقع وصلاتها أسفل الهيكل، مثل QFN وBGA، فيُستخدم فحص الأشعة السينية لرؤية الوصلات المخفية. وبذلك، يتم التأكد من جودة اللحام.

6. ألواح مزدوجة الجوانب

عند تركيب المكونات على كلا الجانبين، يُركّب الجانب الأخف وزنًا أولًا، ثم يُقلب اللوح ويُركّب الجانب الآخر، مع وضع المكونات الأثقل وزنًا على الجانب الأخير حتى لا تتأثر. هذا الترتيب يحافظ على ثبات كل شيء في مكانه خلال عملية إعادة اللحام الثانية.

مقارنة بين تقنية التثبيت السطحي وتقنية التثبيت عبر الثقوب

لم يحل التثبيت السطحي محل التثبيت عبر الثقوب بشكل كامل؛ فلكل منهما مكانه، وتستخدم العديد من اللوحات كلا النوعين.

لا تزال تقنية التوصيل عبر الثقوب تحظى بمكانتها في الموصلات التي تتحمل الأحمال الميكانيكية، ومكونات الطاقة الكبيرة، وأي شيء يستفيد من تثبيت الأسلاك عبر اللوحة. معظم المنتجات الفعلية هجينة : حيث تُعاد لحام مكونات التثبيت السطحي أولاً، ثم تُضاف مكونات التوصيل عبر الثقوب باستخدام اللحام الانتقائي أو اللحام الموجي. يقوم فني التجميع الماهر بتنفيذ العمليتين على لوحة واحدة، وهو أمر بالغ الأهمية مع تطور التصاميم نحو تجميع لوحات الدوائر المطبوعة بكميات كبيرة.

أنواع حزم SMT الشائعة

تأتي مكونات SMT في مجموعة متنوعة من العبوات، وتعتمد طريقة فحص كل منها على ما إذا كانت وصلاتها مرئية أم لا.

النمط بسيط: تُفحص المكونات ذات الأطراف الظاهرة (SOIC، QFP) والمكونات السلبية للرقاقة بصريًا، بينما تُخفي الحزم ذات الأطراف السفلية وحزم الشبكة الكروية (QFN، BGA) وصلاتها وتتطلب فحصًا بالأشعة السينية. معرفة ذلك مسبقًا تُؤثر على كلٍ من خطة الفحص والتصميم، وتتطلب المكونات ذات المسافة الدقيقة بين الأطراف والوصلات المخفية تحكمًا أدق في عملية التصنيع.

تصميم لوحة جاهزة للتثبيت السطحي

اللوحة التي تُجمّع بسهولة مصممة للتجميع، وليس فقط للوظيفة. أهم نقاط التصميم للتصنيع هي:

• بصمات الأقدام وأنماط الأرض الصحيحة. يجب أن تتطابق نقاط التوصيل مع النمط الموصى به للجزء؛ فالبصمات الخاطئة تتسبب في عيوب في وضع اللحام.
• فتحات معجون مناسبة وتصميم استنسل ملائم. يجب أن تضع فتحات الاستنسل حجم المعجون المناسب، خاصة بالنسبة للأجزاء ذات المسافة الدقيقة والأجزاء ذات النهايات السفلية.
• أمناء. تتيح علامات المرجعية للآلات المحاذاة بدقة، مع علامات مرجعية محلية للأجهزة ذات المسافة الدقيقة.
• تباعد مناسب. اترك مساحة بين الأجزاء لتسهيل عملية وضع القطع وإعادة اللحام والفحص.
• تقسيم الألواح وقضبان الأدوات. قم بتقسيم اللوحة بشكل منطقي باستخدام القضبان بحيث تتحرك اللوحة بسلاسة عبر الخط.
• الرقائق المناسبة. استخدم مادة ذات درجة حرارة انتقال زجاجي (Tg) مناسبة لدرجات حرارة إعادة التدفق الخالية من الرصاص.
• التعامل مع المواد الحساسة للرطوبة (MSL). يجب خبز بعض الأجزاء والتعامل معها بعناية قبل إعادة اللحام لتجنب تلفها بسبب الرطوبة.

يُجنّب ضمان صحة هذه التفاصيل قبل التصنيع معظم مشاكل التجميع. تُجري الشركة المصنعة مراجعة مجانية للتصميم من أجل التصنيع (DFM) للتحقق من بصمات المكونات، والمسافات، وعلامات التحديد، وتقسيم اللوحة، ومقارنتها بخط إنتاج SMT حقيقي، وتُشير إلى المشكلات في وقتٍ لا يزال إصلاحها فيه غير مكلف. كما أن جودة اللوحة الأساسية مهمة أيضاً، لأن جودة التجميع تعتمد على جودة تصنيع لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) الموجودة أسفلها، وتضيف التصاميم عالية السرعة أو تصاميم الترددات اللاسلكية متطلبات إضافية مرتبطة بتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة عالية السرعة واستخدام مواد منخفضة الفقد.

ملف تعريف إعادة التدفق، مرحلة تلو الأخرى

يُعد فرن إعادة التدفق المكان الذي تتشكل فيه وصلات اللحام فعلياً، ويتم ضبط درجة حرارته وفقاً للوحة ومكوناتها. وتمر عملية إعادة التدفق النموذجية بأربع مراحل.

يُعدّ ضبط كل مرحلة أمرًا بالغ الأهمية: فالتسخين السريع جدًا قد يُتلف الأجزاء أو يُسبب عيوبًا، بينما التسخين البطيء جدًا يُؤدي إلى تسخين غير متساوٍ، والتسخين غير المناسب يُؤدي إلى وصلات ضعيفة أو باردة. يعتمد شكل التسخين على كتلة اللوحة وموادها، ولهذا السبب تحتاج الركائز ذات الكثافة الحرارية العالية إلى أشكال تسخين مُخصصة تُستخدم في تجميع اللب المعدني.

سبائك اللحام: الخالية من الرصاص والمحتوية على الرصاص

تستخدم معظم عمليات الإنتاج الحالية لحامًا خاليًا من الرصاص، وهو عادةً سبيكة من القصدير والفضة والنحاس (SAC)، والتي تنصهر عند درجة حرارة أعلى، وبالتالي تتطلب ذروة إعادة تدفق أعلى وطبقة رقيقة مصممة خصيصًا لذلك. أما اللحام المحتوي على الرصاص (القصدير والرصاص) فينصهر عند درجة حرارة أقل، ولا يزال يُستخدم في بعض التطبيقات المتخصصة. تحدد السبيكة درجة الحرارة القصوى وتؤثر على اختيار المواد، لذا يتم تحديدها جنبًا إلى جنب مع الطبقة الرقيقة للوحة أثناء تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).

الفحص والاختبار والجودة

يتم ضمان الجودة في خط إنتاج SMT من خلال الفحص في عدة مراحل والتحقق منها عن طريق الاختبار في النهاية.

التفتيش أثناء العملية

• SPI يتحقق من معجون اللحام قبل وضعه.
• مؤشرات النتائج المعتمدة يفحص موضع الوصلات المرئية بعد عملية إعادة اللحام.
• أشعة سينية يفحص الوصلات المخفية لحزم QFN وBGA.

اختبار اللوحة النهائية

• اختبار وظيفي يقوم بتشغيل اللوحة ويؤكد أنها تعمل كما هو مصمم لها.
• اختبار الدائرة (ICT) or اختبار المسبار الطائر يقوم بفحص الشبكات والمكونات الفردية كهربائياً.

يُسهم تطبيق الفحص والاختبار المتدرج بهذه الطريقة في اكتشاف العيوب مبكرًا والتأكد من سلامة اللوحة قبل شحنها. ومع ازدياد حجم الإنتاج، يضمن التحكم الإحصائي في العمليات اتساق خط الإنتاج، بحيث تعمل كل لوحة بنفس كفاءة سابقتها، وهذا هو الفرق بين إنتاج غير مكتمل وإنتاج موثوق.

تُعدّ عملية تجميع SMT عملية دقيقة ومؤتمتة، تتضمن لصق المكونات، وفحصها، ووضعها، وإعادة لحامها، ثم فحصها مرة أخرى، لتحويل لوحة إلكترونية فارغة وبكرة من القطع إلى منتج نهائي. يُصمّم المنتج وفقًا لهذه العملية منذ البداية، ما يضمن تجميعًا نظيفًا واختبارًا دقيقًا. يمكنكم الاطلاع على المزيد حول شركة Highleap Electronics وقدراتنا في مجال تجميع SMT والتجميع الهجين.

الأسئلة الشائعة

ماذا تعني SMT؟

تقنية التثبيت السطحي. تُوضع المكونات على نقاط تثبيت على سطح اللوحة وتُلحم في فرن إعادة التدفق، بدلاً من استخدام أسلاك تمر عبر ثقوب محفورة. تُمكّن هذه التقنية من تجميع المكونات الصغيرة والكثيفة والآلية للغاية، وهي تُهيمن على الإلكترونيات الحديثة.

ما هي خطوات تجميع تقنية SMT؟

تتضمن عملية تصنيع اللوحات الإلكترونية طباعة معجون اللحام باستخدام قالب، وفحص معجون اللحام، وتركيب المكونات، ولحام إعادة التدفق باستخدام فرن مضبوط الحرارة، والفحص البصري والأشعة السينية الآلي. أما اللوحات ذات الوجهين، فتبدأ بطباعة الجانب الأفتح لونًا أولًا، ثم تُقلب وتُطبع الجهة الأخرى.

لماذا تحتاج أجزاء BGA و QFN إلى فحص بالأشعة السينية؟

تقع وصلات اللحام أسفل الغلاف، حيث تُثبّت رقائق BGA على شبكة من الكرات، بينما تُثبّت رقائق QFN على نهايات سفلية، لذا لا تستطيع الكاميرات رؤية هذه الوصلات. يُستخدم فحص الأشعة السينية للتحقق من صحة الوصلات المخفية المُشكّلة.

هل يمكن أن تكون مكونات SMT ومكونات الثقوب على نفس اللوحة؟

نعم، ومعظم المنتجات هجينة. تُعاد لحام الأجزاء المثبتة على السطح أولاً، ثم تُضاف الأجزاء المثبتة عبر الثقوب باستخدام اللحام الانتقائي أو اللحام الموجي. تُستخدم الثقوب في الموصلات، والأجزاء عالية الطاقة، والمكونات التي تتعرض لإجهاد ميكانيكي.

ما الذي يجعل تجميع اللوحة سهلاً باستخدام تقنية التجميع السطحي (SMT)؟

تتضمن هذه العملية بصمات دقيقة، وفتحات معجون مصممة بعناية، وعلامات مرجعية للمحاذاة، ومسافات كافية بين الأجزاء، وتقسيم مدروس للألواح مع قضبان توجيه، ورقائق معدنية تتحمل درجات حرارة إعادة التدفق، ومعالجة مناسبة للرطوبة. وتؤكد مراجعة التصميم للتصنيع قبل البدء في الإنتاج صحة هذه المتطلبات.

كيف يتم اختبار لوحة SMT المجمعة؟

يُساعد الفحص أثناء عملية التصنيع (فحص الوصلات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، والفحص البصري الآلي، والتصوير بالأشعة السينية للكشف عن الوصلات المخفية) على اكتشاف عيوب اللحام، ويتم التحقق من اللوحة النهائية من خلال اختبار وظيفي، وعند الحاجة، يتم إجراء اختبار داخل الدائرة أو اختبار باستخدام مسبار طائر. ويضمن التحكم الإحصائي في العملية اتساق النتائج عند الإنتاج بكميات كبيرة.