Επεξήγηση της διαδικασίας συναρμολόγησης PCB SMT

Η τεχνολογία SMT (τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης) είναι ο κυρίαρχος τρόπος συναρμολόγησης των σύγχρονων πλακετών κυκλωμάτων: τα εξαρτήματα τοποθετούνται απευθείας σε υποστρώματα στην επιφάνεια της πλακέτας και συγκολλούνται όλα ταυτόχρονα σε έναν φούρνο ανακύκλωσης. Αυτό καθιστά δυνατή τη σημερινή μικρή, πυκνή, μεγάλου όγκου ηλεκτρονική. Αυτός ο οδηγός εξηγεί τι... SMT PCB είναι και πώς λειτουργεί η γραμμή συναρμολόγησης βήμα προς βήμα, πώς συγκρίνεται η επιφανειακή τοποθέτηση με την τοποθέτηση μέσω οπής, τα κοινά πακέτα εξαρτημάτων, πώς να σχεδιάσετε μια πλακέτα που συναρμολογείται καθαρά και πώς επιθεωρούνται και δοκιμάζονται οι τελικές πλακέτες.

Τι σημαίνει SMT και γιατί κυριαρχεί

Στην τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης, τα εξαρτήματα έχουν μικρούς ακροδέκτες ή καλώδια που συγκολλούνται απευθείας σε μαξιλαράκια στην επιφάνεια της πλακέτας, αντί για πόδια που περνούν μέσα από τρυπημένες οπές. Η πλακέτα μπορεί να φέρει εξαρτήματα και στις δύο πλευρές και ολόκληρο το συγκρότημα συγκολλάται με ένα πέρασμα μέσα από έναν φούρνο ανακύκλωσης.

Η SMT κυριαρχεί για λόγους σκυροδέματος. Τα εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης είναι πολύ μικρότερα από τα αντίστοιχα με τις οπές, επομένως οι πλακέτες είναι πυκνότερες και πιο συμπαγείς. Η διαδικασία είναι ιδιαίτερα αυτοματοποιημένη, γεγονός που την καθιστά γρήγορη, επαναλήψιμη και οικονομικά αποδοτική σε κλίμακα. Και υποστηρίζει τα πακέτα λεπτού βήματος και υψηλού αριθμού ακίδων που απαιτούν τα σύγχρονα τσιπ. Για σχεδόν όλα τα τρέχοντα ηλεκτρονικά, η SMT είναι η προεπιλογή, γι' αυτό και η βασική δυνατότητα ενός συναρμολογητή είναι η γραμμή SMT, η καρδιά του... Συναρμολόγηση PCB.

Η γραμμή συναρμολόγησης SMT, βήμα προς βήμα

Μια γραμμή SMT είναι μια ακολουθία μηχανών, καθεμία από τις οποίες εκτελεί μία εργασία και παραδίδει την πλακέτα στην επόμενη. Η κατανόηση της ροής καθιστά τους κανόνες σχεδιασμού αργότερα κατανοητούς.

1. Εκτύπωση με κολλητική κόλλα

Ένα στένσιλ από ανοξείδωτο ατσάλι ευθυγραμμίζεται πάνω από την γυμνή σανίδα και η πάστα συγκόλλησης, ένα μείγμα από μικροσκοπικά σωματίδια συγκόλλησης και ροής, πιέζεται μέσα από τα ανοίγματα του στένσιλ πάνω στα τακάκια. Τα ανοίγματα του στένσιλ ελέγχουν ακριβώς πόση πάστα προσγειώνεται σε κάθε τακάκι και η σωστή ποσότητα είναι η βάση για καλές συνδέσεις.

2. Επιθεώρηση κολλητικής πάστας (SPI)

Ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ελέγχει την εκτυπωμένη πάστα, τον όγκο, τη θέση και το σχήμα σε κάθε ταμπόν, προτού χαλάσουν οποιαδήποτε εξαρτήματα. Η ανίχνευση ενός προβλήματος πάστας εδώ είναι πολύ φθηνότερη από την ανακάλυψη ενός ελαττώματος μετά την επαναπλήρωση, επομένως το SPI είναι μια βασική πύλη ποιότητας σε εργασίες λεπτού βήματος.

3. Επιλογή και τοποθέτηση

Τα μηχανήματα υψηλής ταχύτητας συλλέγουν εξαρτήματα από καρούλια και δίσκους και τα τοποθετούν με ακρίβεια πάνω στα επικολλημένα τακάκια, χιλιάδες τοποθετήσεις ανά ώρα. Η κολλώδης υφή της πάστας κρατά κάθε εξάρτημα στη θέση του μέχρι την συγκόλληση. Η ακρίβεια τοποθέτησης είναι αυτή που επιτρέπει την αξιόπιστη συναρμολόγηση μικροσκοπικών εξαρτημάτων και τσιπς λεπτού βήματος.

4. Επαναρροή συγκόλλησης

Η γεμισμένη σανίδα διέρχεται από έναν φούρνο ανακύκλωσης με προσεκτικά ελεγχόμενο προφίλ θερμοκρασίας, προθέρμανση, εμβάπτιση, μια κορυφή που λιώνει το συγκολλητικό υλικό (για κράματα χωρίς μόλυβδο, μια κορυφή περίπου 245 °C) και στη συνέχεια ψύξη. Η πάστα λιώνει και σχηματίζει τις ενώσεις συγκόλλησης και στη συνέχεια στερεοποιείται καθώς το χαρτόνι ψύχεται. Το θερμικό προφίλ προσαρμόζεται στο χαρτόνι και τα εξαρτήματά του, και τα απαιτητικά υποστρώματα χρειάζονται ιδιαίτερη προσοχή, γι' αυτό και οι θερμικά βαριές σανίδες κατασκευάζονται με προφίλ κατάλληλα για... συναρμολόγηση μεταλλικού πυρήνα.

5. Αυτοματοποιημένη οπτική και ακτινογραφική επιθεώρηση

Μετά την επαναφορά ροής, ο αυτοματοποιημένος οπτικός έλεγχος (AOI) ελέγχει τις ορατές αρθρώσεις και την τοποθέτηση των εξαρτημάτων με κάμερες. Για συσκευασίες των οποίων οι συνδέσεις βρίσκονται κάτω από το σώμα, όπως QFN και BGA, χρησιμοποιείται έλεγχος με ακτίνες Χ για να εντοπιστούν οι κρυφές αρθρώσεις. Μαζί επαληθεύουν ότι η συγκόλληση έγινε σωστά.

6. Πλάκες διπλής όψης

Όταν τα εξαρτήματα τοποθετούνται και στις δύο πλευρές, η ελαφρύτερη πλευρά συνήθως συναρμολογείται πρώτα, στη συνέχεια η σανίδα αναποδογυρίζεται και η δεύτερη πλευρά τρέχει, με τα βαρύτερα εξαρτήματα να τοποθετούνται στην τελευταία πλευρά, ώστε να μην αλλοιώνονται. Αυτή η αλληλουχία διατηρεί τα πάντα στη θέση τους κατά τη διάρκεια της δεύτερης αναδιαμόρφωσης.

SMT έναντι διαμπερούς οπής

Η επιφανειακή τοποθέτηση δεν έχει αντικαταστήσει πλήρως τις διαμπερείς οπές. Κάθε μία έχει τη θέση της και πολλές σανίδες χρησιμοποιούν και τις δύο.

Η διαμπερής οπή εξακολουθεί να κερδίζει τη θέση της για συνδετήρες που δέχονται μηχανικό φορτίο, εξαρτήματα μεγάλης ισχύος και οτιδήποτε επωφελείται από καλώδια αγκυρωμένα στην πλακέτα. Τα περισσότερα πραγματικά προϊόντα είναι υβρίδιο: τα εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης επαναχυτεύονται πρώτα και στη συνέχεια προστίθενται τα εξαρτήματα διαμπερούς οπής με επιλεκτική ή κυματοειδή συγκόλληση. Ένας ικανός συναρμολογητής εκτελεί και τις δύο διαδικασίες σε μία πλακέτα, κάτι που έχει σημασία καθώς τα σχέδια κινούνται προς συγκρότημα PCB μεγάλου όγκου.

Συνήθεις τύποι πακέτων SMT

Τα εξαρτήματα SMT διατίθενται σε μια σειρά συσκευασιών και ο τρόπος με τον οποίο ελέγχεται το καθένα εξαρτάται από το αν οι αρθρώσεις του είναι ορατές.

Το μοτίβο είναι απλό: τα εξαρτήματα με ορατές ακίδες (SOIC, QFP) και τα παθητικά εξαρτήματα τσιπ ελέγχονται οπτικά, ενώ τα πακέτα με τερματικό από κάτω και με σφαιρικό πλέγμα (QFN, BGA) κρύβουν τις αρθρώσεις τους και απαιτούν ακτινογραφία. Γνωρίζοντας αυτό εκ των προτέρων, διαμορφώνεται τόσο το σχέδιο επιθεώρησης όσο και ο σχεδιασμός, τα εξαρτήματα λεπτού βήματος και τα εξαρτήματα με κρυφές αρθρώσεις απαιτούν αυστηρότερο έλεγχο της διαδικασίας.

Σχεδιασμός μιας πλακέτας έτοιμης για SMT

Μια πλακέτα που συναρμολογείται καθαρά έχει σχεδιαστεί για συναρμολόγηση, όχι μόνο για λειτουργικότητα. Τα βασικά σημεία σχεδιασμού για κατασκευή είναι:

• Διορθώστε τα ίχνη και τα μοτίβα του εδάφους. Τα τακάκια πρέπει να ταιριάζουν με το συνιστώμενο μοτίβο του εξαρτήματος. Τα λανθασμένα αποτυπώματα προκαλούν ελαττώματα τοποθέτησης και συγκόλλησης.
• Λογικά ανοίγματα πάστας και σχεδιασμός στένσιλ. Τα ανοίγματα του στένσιλ πρέπει να εναποθέτουν τον σωστό όγκο πάστας, ειδικά για εξαρτήματα με λεπτό βήμα και με τερματισμό στο κάτω μέρος.
• Εμπιστευτικοί φορείς. Τα σημάδια αναφοράς επιτρέπουν στις μηχανές να ευθυγραμμίζονται με ακρίβεια, με τα τοπικά πρότυπα για συσκευές λεπτού βήματος.
• Επαρκής απόσταση. Αφήστε χώρο ανάμεσα στα εξαρτήματα για τοποθέτηση, ανανέωση και επιθεώρηση.
• Ράγες πάνελ και εργαλείων. Τοποθετήστε τα πάνελ με λογικό τρόπο με ράγες, ώστε η σανίδα να κινείται ομαλά κατά μήκος της γραμμής.
• Το σωστό έλασμα. Χρησιμοποιήστε υλικό με θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg) κατάλληλη για θερμοκρασίες ανακύκλωσης χωρίς μόλυβδο.
• Χειρισμός ευαίσθητος στην υγρασία (MSL). Ορισμένα εξαρτήματα πρέπει να ψηθούν και να χειριστούν προσεκτικά πριν από την επαναπλήρωση για να αποφευχθεί η ζημιά από την υγρασία.

Η σωστή εφαρμογή τους πριν από την κατασκευή αποτρέπει τα περισσότερα προβλήματα συναρμολόγησης. Δωρεάν αξιολόγηση DFM ελέγχει τα αποτυπώματα, τις αποστάσεις, τα fiducials και την τοποθέτηση πάνελ σε σχέση με μια πραγματική γραμμή SMT και επισημαίνει προβλήματα ενώ η επίλυσή τους είναι ακόμα φθηνή. Η ποιότητα της γυμνής πλακέτας έχει επίσης σημασία, καθώς η συναρμολόγηση είναι τόσο καλή όσο και η Παραγωγή PCB από κάτω από αυτό, και τα σχέδια υψηλής ταχύτητας ή RF προσθέτουν περαιτέρω απαιτήσεις που συνδέονται με υψηλής ταχύτητας κατασκευή PCB και υλικά χαμηλών απωλειών.

Το προφίλ αναδιαμόρφωσης, στάδιο προς στάδιο

Ο φούρνος επανακυκλοφορίας είναι το σημείο όπου σχηματίζονται οι ενώσεις συγκόλλησης και το προφίλ θερμοκρασίας του είναι συντονισμένο με την πλακέτα και τα εξαρτήματά της. Ένα τυπικό προφίλ περνάει από τέσσερα στάδια.

Η σωστή εκτέλεση κάθε σταδίου έχει σημασία: η πολύ γρήγορη ράμπα μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε εξαρτήματα ή ελαττώματα, η πολύ μικρή διαβροχή προκαλεί ανομοιόμορφη θέρμανση και η λανθασμένη κορυφή προκαλεί αδύναμες ή ψυχρές αρθρώσεις. Το προφίλ εξαρτάται από τη μάζα και τα υλικά της σανίδας, γι' αυτό και τα θερμικά βαριά υποστρώματα χρειάζονται τα προσαρμοσμένα προφίλ που χρησιμοποιούνται στη συναρμολόγηση μεταλλικού πυρήνα.

Κράματα συγκόλλησης: χωρίς μόλυβδο και με μόλυβδο

Η μεγαλύτερη ποσότητα τρέχουσας παραγωγής χρησιμοποιεί συγκολλητικό υλικό χωρίς μόλυβδο, συνήθως ένα κράμα κασσιτέρου-αργύρου-χαλκού (SAC), το οποίο τήκεται θερμότερα και έτσι χρειάζεται υψηλότερη κορυφή επανακυκλοφορίας και ένα φύλλο αλουμινίου κατάλληλο για αυτήν. Το μολυβδούχο (κασσίτερος-μόλυβδος) συγκολλητικό υλικό τήκεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε ορισμένες εξειδικευμένες εφαρμογές. Το κράμα καθορίζει τη θερμοκρασία κορυφής και επηρεάζει τις επιλογές υλικού, επομένως αποφασίζεται παράλληλα με το φύλλο αλουμινίου της πλακέτας κατά την κατασκευή των PCB.

Επιθεώρηση, Δοκιμή και Ποιότητα

Η ποιότητα σε μια γραμμή SMT ενσωματώνεται μέσω επιθεώρησης σε διάφορα στάδια και επαληθεύεται με δοκιμές στο τέλος.

Επιθεώρηση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας

• SPI επαληθεύει την πάστα συγκόλλησης πριν από την τοποθέτηση.
• ΑΟΙ ελέγχει την τοποθέτηση και τις ορατές αρθρώσεις μετά την επαναπλήρωση.
• ακτινογραφία επιθεωρεί τις κρυφές αρθρώσεις των πακέτων QFN και BGA.

Δοκιμή της τελικής πλακέτας

• Λειτουργική δοκιμή τροφοδοτεί την πλακέτα και επιβεβαιώνει ότι συμπεριφέρεται όπως έχει σχεδιαστεί.
• Δοκιμή εντός κυκλώματος (ICT) or δοκιμή ιπτάμενου ανιχνευτή ελέγχει ηλεκτρικά τα μεμονωμένα δίκτυα και τα εξαρτήματα.

Η επιθεώρηση και η δοκιμή στρώσεων με αυτόν τον τρόπο εντοπίζουν τα ελαττώματα νωρίς και επιβεβαιώνουν ότι η πλακέτα λειτουργεί πριν από την αποστολή της. Καθώς ο όγκος αυξάνεται, ο στατιστικός έλεγχος διεργασιών διατηρεί τη γραμμή παραγωγής συνεπή, έτσι ώστε κάθε πλακέτα να συμπεριφέρεται όπως η πρώτη, η διαφορά μεταξύ μιας εφάπαξ κατασκευής και μιας αξιόπιστης παραγωγής.

Η συναρμολόγηση SMT είναι μια ακριβής, αυτοματοποιημένη ακολουθία, επικόλληση, επιθεώρηση, τοποθέτηση, αναδιαμόρφωση, επιθεώρηση, που μετατρέπει μια γυμνή σανίδα και ένα καρούλι εξαρτημάτων σε ένα τελικό προϊόν. Σχεδιάστε για αυτήν τη διαδικασία από την αρχή και το αποτέλεσμα συναρμολογείται καθαρά και δοκιμάζεται καλά. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα Σχετικά με την Highleap Electronics και τις δυνατότητες συναρμολόγησης SMT και υβριδικών συστημάτων.

Συχνές ερωτήσεις

Τι σημαίνει το SMT;

Τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης. Τα εξαρτήματα τοποθετούνται σε υποθέματα στην επιφάνεια της πλακέτας και συγκολλούνται σε φούρνο ανακύκλωσης, αντί να έχουν καλώδια που διέρχονται από τρυπημένες οπές. Επιτρέπει τη συναρμολόγηση μικρών, πυκνών, εξαιρετικά αυτοματοποιημένων εξαρτημάτων και κυριαρχεί στα σύγχρονα ηλεκτρονικά.

Ποια είναι τα βήματα της συναρμολόγησης SMT;

Εκτύπωση με κολλητική πάστα μέσω στένσιλ, έλεγχος με κολλητική πάστα (SPI), επιλογή και τοποθέτηση εξαρτημάτων, επανακόλληση μέσω φούρνου ελεγχόμενης θερμοκρασίας και αυτοματοποιημένος οπτικός έλεγχος και έλεγχος με ακτίνες Χ. Οι πλακέτες διπλής όψης περνούν πρώτα την πιο ανοιχτόχρωμη πλευρά και στη συνέχεια γυρίζουν και περνούν τη δεύτερη πλευρά.

Γιατί τα εξαρτήματα BGA και QFN χρειάζονται έλεγχο με ακτίνες Χ;

Οι συνδέσεις συγκόλλησης βρίσκονται κάτω από τη συσκευασία, οι BGA σε ένα πλέγμα από μπάλες, οι QFN σε κάτω ακροδέκτες, επομένως οι κάμερες δεν μπορούν να δουν τις αρθρώσεις. Η επιθεώρηση με ακτίνες Χ εξετάζει τη συσκευασία για να επαληθεύσει ότι οι κρυφές αρθρώσεις έχουν σχηματιστεί σωστά.

Μπορούν τα εξαρτήματα SMT και τα εξαρτήματα διαμπερούς οπής να βρίσκονται στην ίδια πλακέτα;

Ναι, και τα περισσότερα προϊόντα είναι υβριδικά. Τα εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης υποβάλλονται πρώτα σε επαναχύτευση και στη συνέχεια προστίθενται τα εξαρτήματα των οπών μέσω επιλεκτικής ή κυματοειδούς συγκόλλησης. Η οπή διατηρείται για συνδετήρες, εξαρτήματα υψηλής ισχύος και εξαρτήματα που δέχονται μηχανική καταπόνηση.

Τι κάνει μια πλακέτα εύκολη στη συναρμολόγηση με SMT;

Σωστά αποτυπώματα, καλά σχεδιασμένα ανοίγματα επικόλλησης, στοιχεία αναφοράς για ευθυγράμμιση, επαρκής απόσταση μεταξύ των εξαρτημάτων, λογική τοποθέτηση πάνελ με ράγες, ένα laminate με βαθμολογία για θερμοκρασίες επαναπλήρωσης και σωστός χειρισμός ευαίσθητος στην υγρασία. Μια αξιολόγηση DFM πριν από την κατασκευή επιβεβαιώνει ότι όλα αυτά είναι σωστά.

Πώς δοκιμάζεται μια συναρμολογημένη πλακέτα SMT;

Η επιθεώρηση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας (SPI, AOI και ακτίνες Χ για κρυφές συνδέσεις) εντοπίζει ελαττώματα συγκόλλησης και η τελική πλακέτα επαληθεύεται με λειτουργική δοκιμή και, όπου χρησιμοποιείται, με δοκιμή εντός κυκλώματος ή με δοκιμή με ανιχνευτή. Ο στατιστικός έλεγχος της διαδικασίας διατηρεί τα αποτελέσματα σταθερά σε όγκο.