Комплексний посібник зі збирання друкованих плат

Збирання друкованих плат (CBA), також відоме як монтаж друкованих плат (PCBA), — це процес встановлення електронних компонентів на голу друковану плату (PCB) для створення функціональної електронної схеми. Це критично важливий етап у виробництві практично всіх електронних пристроїв, від смартфонів та ноутбуків до промислового обладнання та медичних приладів.

Розуміння процесу збирання друкованих плат

Процес збирання друкованих плат складається з низки етапів, кожен з яких вимагає точності та досвіду. Ось опис типових стадій:

1. Виготовлення друкованої плати

Хоча технічно це не є частиною процесу збирання, якість голої друкованої плати безпосередньо впливає на успіх монтажу. Виготовлення друкованої плати включає створення фізичної плати з провідними доріжками, контактними площадками та перехідними отворами на основі схемотехнічного проекту. Поширеними матеріалами є FR-4, алюміній та гнучкі субстрати. Виробники повинні дотримуватися суворих допусків та заходів контролю якості на цьому етапі.

2. Нанесення паяльної пасти

Паяльна паста, суміш порошку припою та флюсу, наноситься на контактні площадки друкованої плати, де будуть встановлені компоненти. Це можна зробити за допомогою трафаретного друку, струменевого друку або дозування. Трафаретний друк є найпоширенішим методом, що передбачає використання тонкого трафарету з нержавіючої сталі з отворами, які відповідають розташуванню контактних площадок. Паяльна паста розподіляється по трафарету, наносячи її на площадки. Точність і сталість нанесення паяльної пасти є вирішальними для надійних паяних з'єднань.

3. Розміщення компонентів

На цьому етапі відбувається розміщення електронних компонентів на контактні площадки, покриті паяльною пастою. Зазвичай це робиться за допомогою автоматичних машин для встановлення компонентів (pick-and-place), які програмуються з урахуванням розташування та орієнтації компонентів. Ці машини забирають компоненти з живильників і точно розміщують їх на платі. Ручне розміщення іноді використовується для великих або компонентів незвичної форми, але автоматичне розміщення є кращим через швидкість та точність. Порядок та орієнтація розміщення компонентів ретельно плануються для оптимізації процесу паяння та мінімізації потенційних проблем.

4. Паяння оплавленням

Паяння оплавленням — це процес нагрівання всього вузла друкованої плати для розплавлення паяльної пасти та створення паяних з'єднань між компонентами та платою. Друкована плата проходить через піч оплавлення, яка дотримується ретельно контрольованого температурного профілю. Профіль складається з етапів попереднього нагрівання, витримки, оплавлення та охолодження. Етап попереднього нагрівання поступово підвищує температуру для запобігання термічному шоку компонентів. Етап витримки дозволяє температурі стабілізуватися по всій платі. Етап оплавлення нагріває паяльну пасту до її температури плавлення, створюючи паяні з'єднання. Етап охолодження поступово охолоджує плату для затвердіння паяних з'єднань. Точний контроль температури та оптимізація профілю є критично важливими для досягнення високоякісних паяних з'єднань.

5. Паяння наскрізних отворів (за наявності)

Якщо на друкованій платі є компоненти для монтажу в наскрізні отвори, їх зазвичай паяють після процесу паяння оплавленням. Компоненти для наскрізного монтажу мають виводи, які вставляються в отвори на друкованій платі та паяються з протилежного боку. Паяння можна виконувати вручну за допомогою паяльників або автоматично за допомогою машин для паяння хвилею. Паяння хвилею передбачає проходження друкованої плати над хвилею розплавленого припою, який змочує виводи та контактні площадки, створюючи паяні з'єднання. Селективне паяння є ще одним варіантом, коли припій наноситься лише на певні ділянки плати. Паяння наскрізних отворів вимагає ретельного контролю температури та нанесення припою для забезпечення надійних паяних з'єднань.

6. Очищення

Після паяння вузол друкованої плати може потребувати очищення для видалення залишків паяльного флюсу та інших забруднень. Залишки флюсу можуть викликати корозію паяних з'єднань і впливати на довгострокову надійність вузла. Очищення можна проводити різними методами, включаючи водне, сольвентне та напівводне очищення. Вибір методу очищення залежить від типу використовуваного флюсу та вимог до чистоти. Важливо правильно висушити вузол друкованої плати після очищення, щоб запобігти проблемам, пов'язаним з вологою.

7. Інспекція

Інспекція є вирішальним етапом у процесі збирання друкованих плат для забезпечення відповідності вузла стандартам якості. Часто проводиться візуальна інспекція для виявлення очевидних дефектів, таких як відсутні компоненти, неправильно вирівняні компоненти та паяні перемички. Машини автоматизованої оптичної інспекції (АОІ) використовують камери та програмне забезпечення для обробки зображень для автоматичної перевірки вузла друкованої плати на наявність дефектів. АОІ може виявляти широкий спектр дефектів, включаючи помилки розміщення компонентів, дефекти паяних з'єднань та забруднення. Рентгенівська інспекція може використовуватися для перевірки паяних з'єднань, які не видно під час оптичної інспекції, наприклад, у компонентів BGA (Ball Grid Array). Інспекція допомагає виявити та виправити дефекти на ранніх етапах процесу, запобігаючи дорогим переробкам або збоям у польових умовах.

8. Тестування

Тестування проводиться для перевірки функціональності вузла друкованої плати. Внутрішньосхемне тестування (ICT) використовує контактний пристрій типу «ложе з цвяхів» для доступу до тестових точок на друкованій платі та вимірювання електричних характеристик схеми. ICT може виявляти короткі замикання, обриви та помилки значень компонентів. Функціональне тестування імітує робоче середовище вузла друкованої плати для перевірки його відповідності призначенню. Функціональне тестування можна налаштувати для перевірки конкретних функцій або особливостей. Тестування допомагає виявити та виправити функціональні дефекти до відправлення вузла друкованої плати замовнику. Інші методи тестування включають тестування за допомогою літаючих пробників та тестування на основі граничного сканування.

9. Програмування (за наявності)

Якщо вузол друкованої плати містить програмовані пристрої, такі як мікроконтролери або мікросхеми пам'яті, їх може знадобитися запрограмувати прошивкою або програмним забезпеченням. Це можна зробити за допомогою внутрішньосхемного програмування (ISP) або зовнішніх програматорів. ISP дозволяє програмувати пристрої, коли вони встановлені на друкованій платі. Зовнішні програматори вимагають зняття пристроїв з друкованої плати для програмування. Програмування забезпечує функціонування вузла друкованої плати відповідно до його проектного призначення.

10. Конформне покриття (опційно)

Конформне покриття — це нанесення тонкого захисного шару на вузол друкованої плати для захисту від факторів навколишнього середовища, таких як волога, пил та хімічні речовини. Конформне покриття може підвищити надійність та термін служби вузла друкованої плати, особливо в суворих умовах. Існують різні типи конформних покриттів, включаючи акрилові, епоксидні, силіконові та поліуретанові. Вибір конформного покриття залежить від вимог застосування та робочого середовища. Конформне покриття можна наносити зануренням, розпиленням або пензлем.

11. Фінальна інспекція та пакування

Останнім етапом у процесі збирання друкованих плат є фінальна інспекція для забезпечення відповідності вузла всім вимогам. Потім вузол друкованої плати пакується для відправлення замовнику. Правильне пакування є важливим для захисту вузла від пошкоджень під час транспортування.

Технологія поверхневого монтажу (SMT) проти технології наскрізного монтажу

У збиранні друкованих плат використовуються дві основні технології: технологія поверхневого монтажу (SMT) та технологія наскрізного монтажу.

Технологія поверхневого монтажу (SMT)

SMT передбачає монтаж компонентів безпосередньо на поверхню друкованої плати. SMT-компоненти мають виводи або термінали, які паяються безпосередньо до контактних площадок друкованої плати. SMT пропонує кілька переваг над технологією наскрізного монтажу, включаючи менший розмір компонентів, вищу щільність компонентів та нижчі виробничі витрати. SMT є домінуючою технологією в сучасному збиранні друкованих плат.

Технологія наскрізного монтажу

Технологія наскрізного монтажу передбачає вставлення компонентів через отвори в друкованій платі та паяння виводів з протилежного боку. Компоненти для наскрізного монтажу більші та міцніші за SMT-компоненти. Технологія наскрізного монтажу часто використовується для компонентів, які вимагають високої механічної міцності або розсіюють значну кількість тепла. Хоча менш поширена, ніж SMT, технологія наскрізного монтажу залишається важливою для конкретних застосувань.

Ключові аспекти у збиранні друкованих плат

Кілька факторів впливають на успіх збирання друкованих плат. Ось деякі ключові аспекти:

Проектування з урахуванням технологічності (DFM)

DFM передбачає проектування друкованої плати та вибір компонентів з урахуванням виробництва. Аспекти DFM включають розміщення компонентів, дизайн контактних площадок, трасування доріжок та технологічність друкованої плати. Правильний DFM може покращити вихід, надійність та економічну ефективність процесу збирання. Наприклад, забезпечення достатнього простору між компонентами може запобігти утворенню паяних перемичок та полегшити автоматизовану інспекцію.

Вибір компонентів

Вибір правильних компонентів є вирішальним для функціональності, продуктивності та надійності вузла друкованої плати. При виборі компонентів слід враховувати такі фактори, як електричні характеристики, допуск, температурний діапазон та доступність. Важливо використовувати компоненти від перевірених виробників та забезпечувати їх відповідність галузевим стандартам. Враховуйте життєвий цикл компонентів та плануйте можливі проблеми із застаріванням. Глобальне постачання компонентів може запропонувати переваги у вартості, але вимагає ретельного управління ланцюгом постачання.

Вибір паяльної пасти

Вибір паяльної пасти залежить від типу компонентів, процесу паяння оплавленням та вимог до очищення. Паяльна паста доступна в різних сплавах, розмірах частинок та типах флюсу. Безсвинцеві паяльні пасти все частіше використовуються для відповідності екологічним нормам. Вибір відповідної паяльної пасти є важливим для досягнення високоякісних паяних з'єднань. Фактори, які слід враховувати, включають температуру плавлення, властивості змочування та термін придатності паяльної пасти.

Оптимізація профілю оплавлення

Оптимізація профілю оплавлення є вирішальною для досягнення надійних паяних з'єднань. Профіль оплавлення визначає параметри температури та часу для процесу паяння оплавленням. Профіль повинен бути адаптований до конкретних компонентів, паяльної пасти та дизайну друкованої плати. Неправильні профілі оплавлення можуть призвести до дефектів паяних з'єднань, таких як недостатнє змочування, паяні кульки та порожнечі. Моніторинг та коригування профілю оплавлення є важливими для підтримки стабільної якості паяних з'єднань. Для вимірювання температури друкованої плати під час процесу оплавлення використовується обладнання для термопрофілювання.

Контроль якості

Надійна програма контролю якості є важливою для забезпечення якості та надійності вузла друкованої плати. Заходи контролю якості повинні бути впроваджені на всіх етапах процесу збирання, від виготовлення друкованої плати до фінальної інспекції. Статистичний контроль процесів (SPC) може використовуватися для моніторингу та контролю процесу збирання. Регулярні аудити та інспекції можуть допомогти виявити та виправити потенційні проблеми. Навчання та сертифікація персоналу є важливими для підтримки високих стандартів якості.

Галузеві стандарти та регуляції

Галузь збирання друкованих плат регулюється різними стандартами та нормами. Дотримання цих стандартів та норм є вирішальним для забезпечення якості, надійності та безпеки вузла друкованої плати.

Стандарти IPC

IPC (Association Connecting Electronics Industries) розробляє та публікує стандарти для електронної промисловості, включаючи стандарти для збирання друкованих плат. Стандарти IPC охоплюють різні аспекти процесу збирання, включаючи проектування, виготовлення, збирання та інспекцію. Деякі з ключових стандартів IPC для збирання друкованих плат включають:

• IPC-A-610: Критерії прийнятності електронних збірок
• IPC-7711/7721: Ремонт, модифікація та відновлення електронних збірок
• IPC J-STD-001: Вимоги до паяних електричних та електронних збірок

Відповідність RoHS

RoHS (Restriction of Hazardous Substances) — це директива Європейського Союзу, яка обмежує використання певних небезпечних речовин в електричному та електронному обладнанні. Відповідність RoHS є обов'язковою для продуктів, що продаються в Європейському Союзі. До обмежених речовин належать свинець, ртуть, кадмій, шестивалентний хром, полібромовані біфеніли (PBB) та полібромовані дифенілові ефіри (PBDE). Багато інших країн прийняли подібні регуляції.

Регламент REACH

REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) — це регламент Європейського Союзу, який регулює використання хімічних речовин у продуктах. REACH вимагає від виробників реєструвати хімічні речовини, що використовуються в їхніх продуктах, та надавати інформацію про небезпеки та ризики, пов'язані з цими хімічними речовинами. Відповідність REACH є обов'язковою для продуктів, що продаються в Європейському Союзі.

Стандарти ISO

ISO (International Organization for Standardization) розробляє та публікує міжнародні стандарти для різних галузей, включаючи електронну промисловість. ISO 9001 є широко визнаним стандартом для систем управління якістю. ISO 14001 є стандартом для систем екологічного менеджменту. Сертифікація за стандартами ISO може продемонструвати прихильність до якості та екологічної відповідальності.

Тенденції у збиранні друкованих плат

Галузь збирання друкованих плат постійно розвивається. Ось деякі з ключових тенденцій, що формують галузь:

Мініатюризація

Попит на менші та компактніші електронні пристрої стимулює тенденцію до мініатюризації у збиранні друкованих плат. Це вимагає використання менших компонентів, паяння з меншим кроком та передових технік збирання. Такі технології, як чіп-на-платі (COB) та система-в-корпусі (SiP), використовуються для подальшої мініатюризації електронних пристроїв.

Автоматизація

Автоматизація все частіше використовується у збиранні друкованих плат для підвищення ефективності, точності та продуктивності. Автоматичні машини для встановлення компонентів, печі оплавлення та системи інспекції стають все більш складними та потужними. Використання робототехніки та штучного інтелекту ще більше автоматизує процес збирання. Автоматизація може знизити витрати на робочу силу та покращити якість і стабільність збірки.

Передові технології корпусування

Розробляються передові технології корпусування для покращення продуктивності та надійності електронних пристроїв. Ці технології включають 3D-корпусування, корпусування на рівні пластини та корпусування з виведенням контактів за межі кристала на рівні пластини. Передове корпусування дозволяє досягти вищої щільності компонентів, коротших з'єднань та покращеного управління теплом. Передове корпусування використовується в таких додатках, як мобільні пристрої, високопродуктивні обчислення та автомобільна електроніка.

Безсвинцеве збирання

Використання безсвинцевого припою стає все більш поширеним через екологічні норми. Безсвинцеве паяння вимагає інших сплавів припою, профілів оплавлення та методів очищення, ніж паяння на основі свинцю. Безсвинцеве паяння може створювати проблеми, такі як збільшення порожнеч та зменшення міцності паяних з'єднань. Однак безсвинцеве паяння стає стандартною практикою в галузі.

Простежуваність

Простежуваність стає все більш важливою у збиранні друкованих плат для відстеження компонентів та вузлів протягом усього виробничого процесу. Простежуваність дозволяє ідентифікувати дефектні компоненти та вузли і може допомогти покращити якість та надійність електронних пристроїв. Простежуваність можна впроваджувати за допомогою сканування штрих-кодів, RFID-міток та систем управління даними.

Глобальний ландшафт збирання друкованих плат

Збирання друкованих плат є глобальною галуззю, з виробничими потужностями, розташованими в багатьох країнах світу. Китай є найбільшим виробником друкованих плат, за ним ідуть інші країни Азії, такі як Тайвань, Південна Корея та В'єтнам. Сполучені Штати та Європа також мають значні галузі збирання друкованих плат.

Такі фактори, як вартість робочої сили, вартість матеріалів та державні регуляції, впливають на розташування потужностей зі збирання друкованих плат. Компанії часто вирішують передавати збирання своїх друкованих плат на аутсорсинг контрактним виробникам (CM) або постачальникам послуг з виробництва електроніки (EMS). CM та EMS-провайдери пропонують широкий спектр послуг, включаючи виготовлення друкованих плат, постачання компонентів, збирання, тестування та пакування.

Вибір партнера зі збирання друкованих плат

Вибір правильного партнера зі збирання друкованих плат є вирішальним для успіху вашого проекту. Ось деякі фактори, які слід враховувати при виборі партнера:

• Досвід та експертиза: Шукайте партнера з досвідом у збиранні подібних типів друкованих плат та використанні технологій, необхідних для вашого проекту.
• Контроль якості: Переконайтеся, що партнер має надійну програму контролю якості та сертифікований за відповідними галузевими стандартами, такими як ISO 9001 та стандарти IPC.
• Обладнання та технології: Перевірте, чи має партнер необхідне обладнання та технології для реалізації вашого проекту, включаючи автоматичні машини для встановлення компонентів, печі оплавлення та системи інспекції.
• Комунікація та співпраця: Обирайте партнера, який є чуйним, комунікабельним та готовим до співпраці з вами протягом усього процесу збирання.
• Вартість та терміни виконання: Враховуйте вартість та терміни виконання, які пропонує партнер, і переконайтеся, що вони відповідають вашому бюджету та графіку.
• Географічне розташування: Враховуйте географічне розташування партнера та потенційний вплив на вартість доставки та терміни виконання.

Висновок

Збирання друкованих плат — це складний і критично важливий процес у виробництві електронних пристроїв. Розуміння різних технологій, процесів та аспектів, пов'язаних зі збиранням друкованих плат, є важливим для забезпечення якості, надійності та продуктивності вашої продукції. Дотримуючись найкращих практик, галузевих стандартів та обираючи правильного партнера зі збирання, ви можете досягти успішного збирання друкованих плат та вивести свої електронні продукти на ринок.

Цей посібник надає комплексний огляд збирання друкованих плат. Оскільки технології розвиваються, важливо бути в курсі останніх тенденцій та інновацій у галузі, щоб підтримувати конкурентну перевагу. Ми заохочуємо вас продовжувати вчитися та досліджувати захоплюючий світ збирання друкованих плат.