คำอธิบายกระบวนการประกอบแผงวงจรพิมพ์ SMT

SMT (เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว) เป็นวิธีการประกอบแผงวงจรพิมพ์สมัยใหม่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จะถูกวางลงบนแผ่นรองบนพื้นผิวแผงวงจรโดยตรง และบัดกรีพร้อมกันในเตาอบแบบรีโฟลว์ เทคโนโลยีนี้ทำให้สามารถผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ความหนาแน่นสูง และปริมาณมากในปัจจุบันได้ คู่มือนี้จะอธิบายว่าแผงวงจรพิมพ์ SMTคืออะไร และสายการผลิตทำงานอย่างไรทีละขั้นตอน เปรียบเทียบการติดตั้งบนพื้นผิวกับการติดตั้งแบบทะลุรู แพ็คเกจชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กันทั่วไป วิธีการออกแบบแผงวงจรที่ประกอบได้อย่างเรียบร้อย และวิธีการตรวจสอบและทดสอบแผงวงจรที่ประกอบเสร็จแล้ว

SMT หมายถึงอะไร และเหตุใดจึงครองตลาด

ในเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (Surface-mount technology) ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จะมีขั้วต่อหรือขาขนาดเล็กที่บัดกรีโดยตรงกับแผ่นรองบนพื้นผิวของแผ่นวงจร แทนที่จะเป็นขาที่ลอดผ่านรูที่เจาะไว้ แผ่นวงจรสามารถติดตั้งชิ้นส่วนได้ทั้งสองด้าน และการประกอบทั้งหมดจะถูกบัดกรีในครั้งเดียวผ่านเตาอบแบบรีโฟลว์ (reflow oven)

SMT ครองตลาดด้วยเหตุผลที่ชัดเจนหลายประการ ชิ้นส่วนแบบติดตั้งบนพื้นผิวมีขนาดเล็กกว่าชิ้นส่วนแบบเจาะรูมาก ทำให้แผงวงจรมีความหนาแน่นและกะทัดรัดกว่า กระบวนการนี้เป็นระบบอัตโนมัติสูง ทำให้รวดเร็ว ทำซ้ำได้ และคุ้มค่าในระดับใหญ่ และยังรองรับแพ็คเกจที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบและจำนวนขามาก ซึ่งเป็นสิ่งที่ชิปสมัยใหม่ต้องการ สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดในปัจจุบัน SMT จึงเป็นมาตรฐาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมความสามารถหลักของผู้ประกอบชิ้นส่วนจึงเป็นสายการผลิต SMT ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการประกอบแผงวงจรพิมพ์

สายการประกอบ SMT ทีละขั้นตอน

สายการผลิต SMT คือลำดับของเครื่องจักร แต่ละเครื่องทำหน้าที่หนึ่งอย่างและส่งต่อแผงวงจรไปยังเครื่องถัดไป การเข้าใจกระบวนการทำงานจะทำให้กฎการออกแบบในภายหลังมีความหมายมากขึ้น

1. การพิมพ์ด้วยตะกั่วบัดกรี

แผ่นสเตนซิลสแตนเลสจะถูกวางให้ตรงกับแผ่นวงจรเปล่า และวางครีมบัดกรี ซึ่งเป็นส่วนผสมของอนุภาคบัดกรีขนาดเล็กและฟลักซ์ ผ่านช่องเปิดในแผ่นสเตนซิลลงบนแผ่นรองรับ ช่องเปิดในแผ่นสเตนซิลจะควบคุมปริมาณครีมบัดกรีที่ลงบนแต่ละแผ่นอย่างแม่นยำ และการควบคุมปริมาณให้ถูกต้องนั้นเป็นพื้นฐานของการเชื่อมต่อที่ดี

2. การตรวจสอบเนื้อบัดกรี (SPI)

ระบบอัตโนมัติจะตรวจสอบเนื้อวางพิมพ์ ปริมาณ ตำแหน่ง และรูปร่างบนแต่ละแผ่นก่อนที่จะวางชิ้นส่วนใดๆ การตรวจพบปัญหาเกี่ยวกับเนื้อวางในขั้นตอนนี้มีต้นทุนต่ำกว่าการค้นพบข้อบกพร่องหลังจากการหลอมละลายมาก ดังนั้น SPI จึงเป็นด่านตรวจสอบคุณภาพที่สำคัญในงานที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบ

3. หยิบและวาง

เครื่องจักรความเร็วสูงจะหยิบชิ้นส่วนจากม้วนและถาด แล้ววางลงบนแผ่นรองที่ทากาวไว้อย่างแม่นยำ โดยสามารถวางได้หลายพันชิ้นต่อชั่วโมง ความเหนียวของกาวจะช่วยยึดชิ้นส่วนแต่ละชิ้นไว้ในตำแหน่งจนกว่าจะทำการบัดกรี ความแม่นยำในการวางตำแหน่งนี้เองที่ทำให้สามารถประกอบชิ้นส่วนขนาดเล็กและชิปที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบได้อย่างน่าเชื่อถือ

4. การบัดกรีแบบรีโฟลว์

แผงวงจรที่ประกอบเสร็จแล้วจะเคลื่อนผ่านเตาอบรีโฟลว์ที่มีการควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำ โดยเริ่มจากอุ่นก่อน พักไว้ จนถึงจุดสูงสุดที่ทำให้ตะกั่วบัดกรีหลอมละลาย (สำหรับโลหะผสมไร้สารตะกั่ว จุดสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 245 °C) แล้วจึงค่อยๆ ลดอุณหภูมิลง ตะกั่วบัดกรีจะหลอมละลายและก่อตัวเป็นรอยเชื่อม จากนั้นจะแข็งตัวเมื่อแผงวงจรเย็นลง โปรไฟล์ความร้อนจะถูกปรับให้เหมาะสมกับแผงวงจรและชิ้นส่วนต่างๆ และวัสดุที่ต้องการความร้อนสูงจำเป็นต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแผงวงจรที่ต้องการความร้อนสูงจึงใช้โปรไฟล์ที่เหมาะสมสำหรับการประกอบแกนโลหะ

5. การตรวจสอบด้วยแสงและรังสีเอ็กซ์แบบอัตโนมัติ

หลังจากทำการรีโฟลว์แล้ว ระบบตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) จะตรวจสอบรอยต่อที่มองเห็นได้และการจัดวางชิ้นส่วนด้วยกล้อง สำหรับแพ็คเกจที่มีการเชื่อมต่ออยู่ใต้ตัวชิป เช่น QFN และ BGA จะใช้การตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์เพื่อดูรอยต่อที่ซ่อนอยู่ การตรวจสอบทั้งสองวิธีนี้จะช่วยยืนยันว่าการบัดกรีถูกต้อง

6. กระดานสองด้าน

เมื่อประกอบชิ้นส่วนทั้งสองด้าน โดยปกติแล้วจะประกอบด้านที่เบากว่าก่อน จากนั้นจึงพลิกแผ่นวงจรและประกอบด้านที่สอง โดยวางชิ้นส่วนที่หนักที่สุดไว้ด้านสุดท้ายเพื่อไม่ให้ชิ้นส่วนเคลื่อนที่ ลำดับการประกอบนี้จะช่วยให้ทุกอย่างอยู่กับที่ตลอดการหลอมครั้งที่สอง

SMT เทียบกับแบบ Through-Hole

การติดตั้งแบบพื้นผิวไม่ได้เข้ามาแทนที่การติดตั้งแบบทะลุรูทั้งหมด แต่ละแบบมีบทบาทของตัวเอง และแผงวงจรหลายๆ แบบก็ใช้ทั้งสองแบบ

ขั้วต่อแบบ Through-hole ยังคงได้รับความนิยมสำหรับคอนเนคเตอร์ที่ต้องรับแรงทางกล ชิ้นส่วนกำลังไฟฟ้าขนาดใหญ่ และสิ่งใดก็ตามที่ได้รับประโยชน์จากการยึดขาผ่านแผ่นวงจร ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นแบบไฮบริด กล่าวคือ ชิ้นส่วนแบบ Surface-mount จะถูกบัดกรีด้วยความร้อนก่อน จากนั้นจึงเพิ่มชิ้นส่วนแบบ Through-hole ด้วยการบัดกรีแบบเลือกจุดหรือแบบคลื่น ผู้ประกอบชิ้นส่วนที่มีความสามารถจะดำเนินการทั้งสองกระบวนการบนแผ่นวงจรเดียว ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อการออกแบบมุ่งไปสู่ การประกอบแผ่นวงจรพิมพ์ ในปริมาณมาก

ประเภทบรรจุภัณฑ์ SMT ทั่วไป

ชิ้นส่วน SMT มีบรรจุภัณฑ์หลากหลายรูปแบบ และวิธีการตรวจสอบแต่ละแบบจะขึ้นอยู่กับว่ามองเห็นรอยต่อของชิ้นส่วนนั้นหรือไม่

รูปแบบการตรวจสอบนั้นง่ายมาก: ชิ้นส่วนที่มีขาต่อที่มองเห็นได้ (SOIC, QFP) และชิ้นส่วนแบบพาสซีฟในชิปจะถูกตรวจสอบด้วยแสง ในขณะที่แพ็คเกจแบบต่อลงด้านล่างและแบบบอลกริด (QFN, BGA) จะซ่อนข้อต่อไว้และต้องใช้การตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์ การทราบข้อมูลนี้ล่วงหน้าจะช่วยกำหนดแผนการตรวจสอบและการออกแบบ ชิ้นส่วนที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบและข้อต่อที่ซ่อนอยู่ต้องการการควบคุมกระบวนการที่เข้มงวดมากขึ้น

การออกแบบแผงวงจรพร้อมใช้งาน SMT

แผงวงจรที่ประกอบได้อย่างเรียบร้อยนั้นถูกออกแบบมาเพื่อการประกอบ ไม่ใช่แค่เพื่อการใช้งานเท่านั้น จุดสำคัญของการออกแบบเพื่อการผลิตมีดังนี้:

• รอยเท้าและรูปแบบภูมิประเทศที่ถูกต้อง แผ่นรองต้องตรงกับรูปแบบที่แนะนำของชิ้นส่วนนั้น ๆ หากใช้รูปแบบที่ไม่ถูกต้องจะทำให้เกิดข้อบกพร่องในการวางตำแหน่งและการบัดกรี
• ช่องสำหรับวางกาวและการออกแบบแม่พิมพ์ที่เหมาะสม ช่องเปิดของแม่พิมพ์จะต้องจ่ายปริมาณกาวที่เหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนที่มีระยะห่างระหว่างขาแคบและชิ้นส่วนที่ต่อลงด้านล่าง
• ผู้รับมอบอำนาจตามกฎหมาย เครื่องหมายอ้างอิงช่วยให้เครื่องจักรสามารถจัดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ โดยใช้จุดอ้างอิงเฉพาะที่สำหรับอุปกรณ์ที่มีระยะห่างระหว่างเกลียวละเอียด
• เว้นระยะห่างอย่างเหมาะสม เว้นระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ เพื่อความสะดวกในการวาง การหลอม และการตรวจสอบ
• การจัดวางแผงและการติดตั้งรางเครื่องมือ จัดวางแผงอย่างเหมาะสมโดยใช้รางเพื่อให้แผงเคลื่อนที่ได้อย่างราบรื่นตลอดแนว
• ลามิเนตที่เหมาะสม เลือกใช้วัสดุที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้ว (Tg) ที่เหมาะสมกับอุณหภูมิการหลอมแบบไร้สารตะกั่ว
• การจัดการที่ไวต่อความชื้น (MSL) ชิ้นส่วนบางชิ้นต้องนำไปอบและจัดการอย่างระมัดระวังก่อนนำไปหลอมใหม่ เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจากความชื้น

การตรวจสอบสิ่งเหล่านี้ให้ถูกต้องก่อนการผลิตจะช่วยป้องกันปัญหาการประกอบส่วนใหญ่ได้การตรวจสอบ DFM ฟรี จาก ผู้ผลิตจะตรวจสอบรอยเท้า ระยะห่าง จุดอ้างอิง และการจัดเรียงแผงเทียบกับสายการผลิต SMT จริง และระบุปัญหาในขณะที่ยังแก้ไขได้ในราคาประหยัด คุณภาพของแผ่นวงจรเปล่าก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากคุณภาพของการประกอบขึ้นอยู่กับคุณภาพของการผลิต PCBที่อยู่ด้านล่าง และการออกแบบความเร็วสูงหรือ RF จะเพิ่มข้อกำหนดเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการผลิต PCB ความเร็วสูงและวัสดุที่มีการสูญเสียต่ำ

ขั้นตอนการปรับการไหลเวียนของเลือดทีละขั้นตอน

เตาอบรีโฟลว์เป็นสถานที่ที่ข้อต่อบัดกรีเกิดขึ้นจริง และโปรไฟล์อุณหภูมิจะถูกปรับให้เหมาะสมกับแผงวงจรและชิ้นส่วนต่างๆ โดยทั่วไปแล้วโปรไฟล์จะเคลื่อนผ่านสี่ขั้นตอน

การทำให้แต่ละขั้นตอนถูกต้องนั้นสำคัญมาก: การเพิ่มอุณหภูมิเร็วเกินไปอาจทำให้ชิ้นส่วนเสียหายหรือเกิดข้อบกพร่อง การเพิ่มอุณหภูมิน้อยเกินไปจะทำให้ความร้อนไม่สม่ำเสมอ และการเพิ่มอุณหภูมิสูงสุดที่ไม่ถูกต้องจะทำให้รอยต่ออ่อนแอหรือเย็น การกำหนดรูปทรงขึ้นอยู่กับมวลและวัสดุของแผ่นวงจร ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมแผ่นวงจรที่มีน้ำหนักมากจึงต้องการรูปทรงที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับใช้ในการประกอบแกนโลหะ

โลหะบัดกรี: แบบไร้ตะกั่วและแบบมีตะกั่ว

การผลิตในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้ตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่ว ซึ่งโดยทั่วไปคือโลหะผสมดีบุก-เงิน-ทองแดง (SAC) ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูงกว่า จึงต้องการอุณหภูมิการหลอมสูงสุดที่สูงกว่า และแผ่นลามิเนตที่เหมาะสมกับอุณหภูมินั้น ส่วนตะกั่วบัดกรีที่มีสารตะกั่ว (ดีบุก-ตะกั่ว) มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า และยังคงใช้ในงานเฉพาะทางบางประเภท ชนิดของโลหะผสมจะเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิสูงสุดและมีอิทธิพลต่อการเลือกวัสดุ ดังนั้นจึงต้องตัดสินใจควบคู่ไปกับการเลือกแผ่นลามิเนตของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ในระหว่างกระบวนการผลิต PCB

การตรวจสอบ การทดสอบ และคุณภาพ

คุณภาพในสายการผลิต SMT ถูกสร้างขึ้นจากการตรวจสอบในหลายขั้นตอนและได้รับการยืนยันโดยการทดสอบในขั้นตอนสุดท้าย

การตรวจสอบระหว่างกระบวนการ

• SPI ตรวจสอบเนื้อตะกั่วก่อนทำการบัดกรี
• อ ตรวจสอบตำแหน่งและการเชื่อมต่อที่มองเห็นได้หลังการหลอมใหม่
• รังสีเอกซ์ ตรวจสอบรอยต่อที่ซ่อนอยู่ของแพ็คเกจ QFN และ BGA

ทดสอบแผงวงจรที่ผลิตเสร็จแล้ว

• การทดสอบการทำงาน จ่ายไฟให้บอร์ดและตรวจสอบให้แน่ใจว่าทำงานได้ตามที่ออกแบบไว้
• การทดสอบในวงจร (ICT) or การทดสอบโพรบบิน ตรวจสอบวงจรและส่วนประกอบแต่ละชิ้นด้วยวิธีการทางไฟฟ้า

การตรวจสอบและทดสอบแบบเป็นชั้นๆ ในลักษณะนี้ช่วยตรวจจับข้อบกพร่องได้ตั้งแต่เนิ่นๆ และยืนยันว่าแผงวงจรทำงานได้ก่อนจัดส่ง เมื่อปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้น การควบคุมกระบวนการทางสถิติจะช่วยรักษาความสม่ำเสมอของสายการผลิต ทำให้แผงวงจรทุกชิ้นทำงานได้เหมือนกับชิ้นแรก ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างการผลิตแบบผิดพลาดเพียงครั้งเดียวกับการผลิตที่เชื่อถือได้

การประกอบ SMT เป็นลำดับขั้นตอนอัตโนมัติที่แม่นยำ ประกอบด้วย การวาง การตรวจสอบ การจัดวาง การหลอม การตรวจสอบ ซึ่งเปลี่ยนแผ่นวงจรเปล่าและม้วนชิ้นส่วนให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป การออกแบบให้รองรับกระบวนการนี้ตั้งแต่เริ่มต้น จะทำให้ได้ผลลัพธ์ที่ประกอบได้อย่างเรียบร้อยและผ่านการทดสอบอย่างดี คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Highleap Electronicsและความสามารถในการประกอบ SMT และไฮบริดของเราได้ที่นี่

คำถามที่พบบ่อย (FAQs)

SMT ย่อมาจากอะไร?

เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (Surface-mount technology) คือการวางชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ลงบนแผ่นรองบนพื้นผิวของแผงวงจรและบัดกรีในเตาอบแบบรีโฟลว์ แทนที่จะใช้ขาชิ้นส่วนที่ลอดผ่านรูที่เจาะไว้ เทคโนโลยีนี้ช่วยให้สามารถประกอบชิ้นส่วนขนาดเล็ก ความหนาแน่นสูง และเป็นระบบอัตโนมัติอย่างมาก และเป็นเทคโนโลยีที่ครองตลาดอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

ขั้นตอนการประกอบ SMT มีอะไรบ้าง?

กระบวนการพิมพ์วางบัดกรีผ่านแผ่นสเตนซิล การตรวจสอบวางบัดกรี (SPI) การหยิบและวางชิ้นส่วน การบัดกรีแบบรีโฟลว์ผ่านเตาอบควบคุมอุณหภูมิ และการตรวจสอบด้วยแสงและรังสีเอ็กซ์แบบอัตโนมัติ สำหรับแผงวงจรสองด้าน จะเริ่มพิมพ์ด้านที่บางกว่าก่อน จากนั้นพลิกและพิมพ์ด้านที่สอง

เหตุใดชิ้นส่วน BGA และ QFN จึงจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์?

การเชื่อมต่อด้วยการบัดกรีของชิปเหล่านี้จะอยู่ใต้ตัวแพ็คเกจ โดยชิป BGA จะเชื่อมต่อบนตารางลูกบอล และชิป QFN จะเชื่อมต่อที่ด้านล่าง ทำให้กล้องไม่สามารถมองเห็นรอยต่อได้ การตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์จะมองทะลุแพ็คเกจเพื่อตรวจสอบว่ารอยต่อที่ซ่อนอยู่เหล่านั้นถูกสร้างขึ้นอย่างถูกต้อง

ชิ้นส่วน SMT และชิ้นส่วนแบบ Through-hole สามารถติดตั้งบนแผงวงจรเดียวกันได้หรือไม่?

ใช่แล้ว ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่เป็นแบบไฮบริด ชิ้นส่วนแบบติดตั้งบนพื้นผิวจะถูกหลอมก่อน จากนั้นจึงเพิ่มชิ้นส่วนแบบทะลุรูโดยใช้การบัดกรีแบบเลือกหรือการบัดกรีแบบคลื่น ชิ้นส่วนแบบทะลุรูจะใช้สำหรับตัวเชื่อมต่อ ชิ้นส่วนกำลังสูง และส่วนประกอบที่ต้องรับแรงทางกล

อะไรทำให้การประกอบแผงวงจรด้วยเทคโนโลยี SMT ทำได้ง่าย?

การกำหนดตำแหน่งชิ้นส่วนที่ถูกต้อง การออกแบบช่องสำหรับวางวัสดุประสานที่ดี จุดอ้างอิงสำหรับการจัดแนว ระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างชิ้นส่วน การแบ่งแผงอย่างเหมาะสมด้วยราง วัสดุเคลือบที่ทนต่ออุณหภูมิการหลอม และการจัดการที่เหมาะสมสำหรับวัสดุที่ไวต่อความชื้น การตรวจสอบ DFM ก่อนการผลิตยืนยันว่าสิ่งเหล่านี้ถูกต้องแล้ว

แผงวงจร SMT ที่ประกอบเสร็จแล้วได้รับการทดสอบอย่างไร?

การตรวจสอบระหว่างกระบวนการ (SPI, AOI และ X-ray สำหรับรอยต่อที่ซ่อนอยู่) ช่วยตรวจจับข้อบกพร่องในการบัดกรี และแผงวงจรที่เสร็จสมบูรณ์จะได้รับการตรวจสอบโดยการทดสอบการทำงาน และการทดสอบแบบ in-circuit หรือ flying-probe ในกรณีที่จำเป็น การควบคุมกระบวนการทางสถิติช่วยให้ผลลัพธ์มีความสม่ำเสมอในปริมาณมาก