Poznejte SMT: Analýza základních procesů SMT

Než se seznámíme s analýzou základních procesů SMT. Nejprve si povíme o vývoji technologie povrchové montáže (SMT), která má zásadní význam pro elektronický průmysl i mimo něj. SMT umožňuje vyrábět menší, lehčí a kompaktnější elektronická zařízení, protože umožňuje používat drobné součástky pro povrchovou montáž (SMD), a je nezbytná pro nositelná zařízení, chytré telefony, zařízení internetu věcí a lékařské implantáty. Součástky SMT mají kratší délku vedení, čímž se snižuje parazitní kapacita a indukčnost, což vede k rychlejšímu zpracování signálu a je rozhodující pro vysokofrekvenční aplikace, jako je 5G, čipy umělé inteligence a pokročilé počítače. Automatizované montážní linky s technologií povrchové montáže (SMT) mohou zvýšit rychlost výroby a snížit chybovost lidského faktoru a umožnit levnou hromadnou výrobu složitých desek plošných spojů (PCB). Desky SMD jsou méně náchylné k mechanickému namáhání (bez průchozích vodičů), což zlepšuje jejich životnost, a mají lepší spolehlivost pájecích spojů v náročných podmínkách (automobilový a letecký průmysl). Umožňuje propojení s vysokou hustotou (HDI) a vícevrstvé desky plošných spojů potřebné pro umělou inteligenci, kvantové počítače a pokročilou robotiku a usnadňuje integraci pokročilých obalových technik (např. 3D integrované obvody, návrhy založené na čipech). 

Proces, kvalitu a výsledek výroby čipové součástky SMT ovlivňuje mnoho aspektů. Jelikož se jedná o klíčový proces v moderní výrobě elektroniky, je efektivní využít montáž součástek prostřednictvím přesného vybavení a optimalizace procesu. Její základní procesní řetězec zahrnuje čtyři klíčové fáze: tisk pájecí pasty, umístění součástky, pájení přetavením a kontrolu AOI. Každý krok má svůj vlastní účel - přesné nanášení pájky, umístění součástky, spolehlivé vytvoření pájecího spoje, kontrola vad. Zajímavé je, že každý krok má také svou klíčovou proměnnou, která může přímo ovlivnit výsledek výroby. Tloušťka ocelové sítě a tlak stěrky, přesnost pick-and-place stroje a typ trysky, křivka teplotní zóny a špičková teplota a algoritmus detekce optického rozlišení. Všechny vyžadují přísné dodržování parametrů procesu a požadavků na přesnost zařízení. Například konstrukce ocelové mřížky při tisku pájecí pasty přímo ovlivňuje kvalitu pájecího spoje, zatímco výběr trysek a přesnost umísťovacího stroje v procesu umísťování určují přesnost umístění součástky. Pro lepší pochopení toho, jak analýza funguje, je zde celkem osm kroků.

První krok - přehled principů technologie montáže čipů SMT. SMT umožňuje efektivní montáž přímou montáží elektronických součástek na povrch desky plošných spojů. Její hlavní princip spočívá v opuštění tradičních procesů průchozí montáže a místo toho využívá miniaturizované komponenty a přesné vybavení k dosažení vysoké hustoty uspořádání. Proces začíná tiskem pájecí pasty, kdy se pájecí pasta přesně nanáší na plošné spoje. Následně stroj pick-and-place pomocí systému polohování s viděním umístí komponenty, jako jsou rezistory a kondenzátory, s přesností na úrovni mikronů na určené pozice. Nakonec se pájením přetavením vytvoří stabilní elektrické spoje. V porovnání s tradičními postupy nabízí SMT výhody, jako jsou menší rozměry součástek, vyšší hustota montáže a větší možnosti automatizace, díky čemuž je zvláště vhodný pro požadavky na nízkou hmotnost a vysoký výkon moderních elektronických výrobků. 

Druhý krok - podrobné vysvětlení procesu tisku pájecí pasty. První proces a kvalita tisku pájecí pasty přímo ovlivňuje spolehlivost následného umístění a pájení. Podstata tohoto procesu spočívá v přesném přenosu pájecí pasty na plošné spoje prostřednictvím ocelové síťky. Pozornost je třeba věnovat třem klíčovým oblastem: výrobě ocelové síťky, kalibraci tiskového zařízení a optimalizaci parametrů. Velikost otvoru ocelové síťky musí být navržena tak, aby odpovídala rozteči vývodů součástek a rozměrům podložek, obvykle podle normy IPC-7525. Poměr šířky a tloušťky otvorů by měl být kontrolován v rozmezí 1,5:1 až 2:1, aby se zajistilo, že rychlost uvolňování pájecí pasty splňuje specifikace. Během procesu tisku je třeba dynamicky upravovat úhel stěrky (45°-60°), tlak (3-8 N/cm²) a rychlost (20-80 mm/s) podle typu šablony (nerezová ocel/nanovrstva), přičemž statistická kontrola procesu SPC se používá ke sledování posunu tisku, tloušťky pájecí pasty (80-150 μm) a konzistence tvaru v reálném čase. U součástek QFN a BGA s jemnou roztečí se často používá vakuová sací platforma a systém polohování s viděním, které kontrolují přesnost tisku v rozmezí ±25 μm, čímž se předchází vzniku můstků nebo defektů studených pájecích spojů. 

Třísložková optimalizace montážního procesu. Umístění komponent je kritickým článkem výrobního řetězce SMT a jeho efektivita a přesnost přímo ovlivňují výtěžnost produktu. Optimalizace procesu by se měla zaměřit na tři oblasti: výběr zařízení, nastavení parametrů a integraci softwaru: Za prvé, vysoce přesné stroje pro umisťování součástek musí být vybaveny víceosými pohybovými systémy a adaptivními moduly pro polohování s viděním, aby bylo zajištěno, že odchylka umisťování součástek velikosti 0201 je kontrolována v rozmezí ±0.035 mm; za druhé, sladěním strategie výběru trysky s frekvencí vibrací podavače lze zvýšit rychlost umisťování součástí nepravidelného tvaru o 15%-20%; konečně, funkce dynamického plánování dráhy systému MES (Manufacturing Execution System) může snížit volnoběžný chod umisťovací hlavy o více než 30% a v kombinaci se systémem zpětné vazby tlaku v reálném čase může zabránit riziku poškození součásti. Na základě toho může zavedení modelu statistické kontroly procesu SPC pro analýzu trendů 12 klíčových parametrů, jako je tlak při umísťování a úroveň vakua, s předstihem identifikovat více než 85% potenciálních abnormalit procesu.

Čtvrtý krok - řízení parametrů pájení přetokem. Parametry pájení přetavením, které jsou klíčovou součástí určující kvalitu pájecího spoje v procesu montáže SMT, musí být systematicky konfigurovány na základě vlastností pájecí pasty, typů součástek a materiálů substrátu. Teplotní profil je ústředním prvkem řízení procesu, obvykle rozděleným do čtyř stupňů: zóna předehřevu, zóna konstantní teploty, zóna přetavení a zóna chlazení. Předehřívací zóna by se měla zahřívat rychlostí 1,5-3 °C/s, aby se dosáhlo 150-180 °C a zabránilo se tepelnému namáhání, které by mohlo poškodit součástky; zóna udržování teploty se musí udržovat po dobu 60-120 sekund, aby se plně aktivovalo tavidlo a odstranily oxidy; špičková teplota v zóně přetavení se musí řídit na 20-40 °C nad bodem tání pájecí pasty (obvykle 220-250 °C) po dobu 40-90 sekund, aby se zajistilo dostatečné smáčení pájky; rychlost chlazení se musí udržovat na 2-4 °C/s, aby se vytvořila hustá struktura pájecího spoje. U přesných součástek, jako jsou BGA a QFP, by měla být použita tepelná simulace pro optimalizaci rovnoměrnosti konvekce horkého vzduchu, zatímco pro snížení rizika oxidace by měla být použita ochrana dusíkem. Moderní zařízení pro pájení přetavením jsou obvykle vybavena vícezónovou nezávislou regulací teploty a funkcemi tepelné kompenzace v reálném čase v kombinaci se systémy SPC pro dynamické sledování oken procesu, což účinně snižuje výskyt vad, jako jsou studené pájecí spoje a neúplné pájecí spoje.

Pátý krok - analýza použití kontrolní technologie AOI. Ve výrobním procesu montáže SMT slouží automatická optická kontrola (AOI) jako základní součást kontroly kvality, která využívá vysoce přesné snímání obrazu a inteligentní algoritmy k provádění vícerozměrné analýzy kvality pájecích spojů, umístění součástek a polarity. Tato technologie využívá kombinaci víceúhlových světelných zdrojů a vysokorychlostních kamerových systémů k zachycení typických vad v reálném čase, jako je rovnoměrnost pokrytí pájecí pastou, posun součástek a přemostění pájky, přičemž dosahuje přesnosti detekce až 0,01 mm. Moderní systémy AOI neustále optimalizují schopnosti rozpoznávání vad pomocí modelů hlubokého učení, přičemž míra falešně pozitivních výsledků je nyní nižší než 2%. Podporují také zpětnou vazbu dat SPC do systémů MES v reálném čase, což umožňuje dynamickou úpravu procesních parametrů v uzavřeném systému. V odvětví spotřební elektroniky se zařízení AOI musí přizpůsobit požadavkům na detekci mikrosoučástek 01005, zatímco v automobilové elektronice se klade větší důraz na stabilitu detekce pájecích spojů v prostředí s vysokými teplotami. Díky integraci 3D detekční technologie a multispektrálního zobrazování procházejí systémy AOI transformačním přechodem od dvourozměrné rovinné detekce k trojrozměrné analýze.

Šestý krok - výběr stroje a klíčové body údržby. V montážních procesech SMT musí výběr zařízení komplexně zohlednit rozsah výroby, složitost výrobku a požadavky na přesnost procesu. Vysokorychlostní stroje pick-and-place by měly upřednostňovat modely se společným provozem s více tryskami a schopností kompenzace polohy na základě vidění, aby splňovaly požadavky na přesné umístění mikrosoučástek, jako jsou 0201 a QFN. Zařízení pro tisk pájecí pasty by se měla zaměřit na přesnost řízení napětí šablony a rozsah nastavení tlaku stěrky, aby bylo zajištěno rovnoměrné nanášení pájecí pasty. Při výběru přetavovací pece je nezbytné vyhodnotit počet teplotních zón, účinnost cirkulace horkého vzduchu a stabilitu systému ochrany dusíkem, aby se předešlo vadám pájení nebo tepelnému poškození součástek způsobenému odchylkami teplotní křivky. Údržba zařízení by se měla řídit standardizovanými postupy, včetně každodenního čištění trysek u umisťovacích strojů, řízení mazacích cyklů u dopravníkových drah a pravidelné kalibrace optických kontrolních systémů. Kromě toho by měla být zavedena preventivní údržba s využitím snímačů vibrací a termovizních kamer, aby se minimalizoval dopad náhlých poruch zařízení na kontinuitu výrobní linky.

Sedmý krok - analýza kontroly kvality v klíčových fázích. Ve výrobním procesu montáže SMT je kontrola kvality integrována do všech fází procesu, přičemž hlavní důraz je kladen na snížení počtu vad a zajištění konzistence výrobku prostřednictvím systematických opatření. Nejprve je základním krokem kontrola surovin, která vyžaduje přísné ověření viskozity pájecí pasty, složení pájecí slitiny a specifikací balení součástek, aby se zajistil soulad s normou IPC-A-610. Za druhé je rozhodující monitorování procesních parametrů v reálném čase. Například během fáze tisku pájecí pasty musí být dynamicky upravován tlak stěrky a přesnost zarovnání šablony prostřednictvím systému SPC (Statistical Process Control), aby se zabránilo chybnému zarovnání nebo zborcení. Ve fázi pájení přetavením musí teplotní křivka přesně odpovídat vlastnostem pájecí pasty a teplotní odolnosti součástek. Data se shromažďují prostřednictvím testeru teploty v peci, aby bylo možné optimalizovat parametry topné zóny. Kontrola AOI slouží jako konečná kontrolní metoda, která využívá multispektrální zobrazovací technologii k identifikaci vad, jako jsou studené pájecí spoje, chybné zarovnání a polarita, a kombinuje rentgenovou kontrolu pro penetrační analýzu skrytých pájecích spojů v BGA. Kromě toho jsou rozhodujícími faktory pro zajištění dlouhodobé stability také kalibrace cyklů údržby zařízení a školení obsluhy. Prostřednictvím vícerozměrné integrace dat a mechanismu zpětné vazby s uzavřenou smyčkou je vytvořen komplexní systém kontroly kvality, který pokrývá oblast od prevence až po nápravu. 

Osmý krok - uplatnění a pokrok v průmyslu SMT. Vzhledem k tomu, že se elektronické výrobky stále vyvíjejí směrem k miniaturizaci a vysoké integraci, stala se technologie povrchové montáže (SMT) základním výrobním procesem v odvětvích, jako je spotřební elektronika, automobilová elektronika a komunikační zařízení. Ve spotřebních výrobcích, jako jsou chytré telefony a nositelná zařízení, umožňuje technologie SMT efektivní využití prostoru na základní desce díky umístění miniaturních součástek. V odvětví automobilové elektroniky využívá SMT svou vysokou spolehlivost, aby splnila přísné požadavky řídicích systémů ve vozidlech na odolnost proti vysokým teplotám a vibracím. V současné době široká adopce komunikačních základnových stanic 5G a koncových zařízení internetu věcí dále podporuje vývoj procesů SMT směrem k ultrarychlému umisťování a výrobě více druhů výrobků ve smíšených linkách. Současně hluboká integrace inteligentní výroby a Průmyslu 4.0 urychluje zavádění pokročilých technologií, jako je inspekce s umělou inteligencí a digitální dvojčata, na výrobních linkách SMT, aby se dosáhlo dynamické optimalizace parametrů procesu a predikce vad. V budoucnu, s expanzí rozvíjejících se trhů, jako jsou řídicí systémy pro elektrická vozidla a lékařské elektronické přístroje, bude technologie SMT pokračovat v průlomu, pokud jde o kompatibilitu materiálů, procesy šetrné k životnímu prostředí a přesnou kontrolu na mikronové úrovni, a bude poskytovat rozhodující technologickou podporu pro vysoce kvalitní rozvoj elektronického výrobního průmyslu.