Leer SMT kennen: Analyse van SMT-kernprocessen

Voordat we meer te weten komen over de analyse van SMT-kernprocessen. Eerst bespreken we de progressie van SMT (Surface-Mount Technology) is cruciaal voor de elektronica-industrie en daarbuiten. SMT maakt kleinere, lichtere en compactere elektronische apparaten mogelijk door het gebruik van kleine SMD-componenten (surface-mount components) en is essentieel voor wearables, smartphones, IoT-apparaten en medische implantaten. SMT componenten hebben kortere afleidingslengtes, waardoor parasitaire capaciteit en inductantie worden verminderd, wat leidt tot snellere signaalverwerking en van cruciaal belang is voor hoogfrequente toepassingen zoals 5G, AI chips en geavanceerde computers. Geautomatiseerde assemblagelijnen voor surface mount technology (SMT) kunnen de productiesnelheid verhogen en menselijke fouten verminderen en kunnen goedkope massaproductie van complexe printplaten (PCB's) mogelijk maken. SMD's zijn minder gevoelig voor mechanische stress (geen doorlopende draden), waardoor ze langer meegaan en beter zijn voor de betrouwbaarheid van soldeerverbindingen in zware omgevingen (auto-industrie, luchtvaart). Maakt interconnecties met hoge dichtheid (HDI) en meerlaagse printplaten mogelijk die nodig zijn voor AI, quantumcomputing en geavanceerde robotica en vergemakkelijkt de integratie van geavanceerde verpakkingstechnieken (bijv. 3D-IC's, chiplet-gebaseerde ontwerpen). 

Er zijn veel aspecten die het proces, de kwaliteit en het resultaat van de SMT-gefabriceerde chipcomponent beïnvloeden. Aangezien het een kernproces is in de moderne elektronicaproductie, is het efficiënt om de assemblage van componenten te exploiteren met behulp van precisieapparatuur en procesoptimalisatie. De kernprocesketen omvat vier belangrijke stappen: soldeerpasta printen, component plaatsen, reflow solderen en AOI inspectie. Elke stap heeft zijn eigen doel: precieze soldeerdepositie, positionering van componenten, betrouwbare vorming van soldeerverbindingen en defectenonderzoek. Interessant is dat elke stap ook zijn eigen belangrijke variabele heeft die het resultaat van de productie direct kan beïnvloeden. De dikte van de staalmat en de druk van de rakel, de nauwkeurigheid van de pick-and-place-machine en het type nozzle, de temperatuurzonecurve en piektemperatuur en het detectiealgoritme voor optische resolutie. Ze vereisen allemaal een strikte naleving van de procesparameters en de precisievereisten van de apparatuur. Het ontwerp van het staalgaas bij het drukken van soldeerpasta heeft bijvoorbeeld een directe invloed op de kwaliteit van soldeerverbindingen, terwijl de selectie van spuitmondjes en de precisie van de plaatsingsmachine bij het plaatsingsproces de nauwkeurigheid van de positionering van componenten bepalen. Om beter te begrijpen hoe de analyse werkt, zijn er in totaal acht stappen.

Stap één - overzicht van de principes van SMT chipmontagetechnologie. SMT maakt efficiënte assemblage mogelijk door elektronische componenten rechtstreeks op het oppervlak van een printplaat te monteren. Het kernprincipe is dat traditionele montageprocessen met doorlopende gaten worden losgelaten en dat in plaats daarvan gebruik wordt gemaakt van geminiaturiseerde componenten en precisieapparatuur om een lay-out met hoge dichtheid te realiseren. Het proces begint met het printen van soldeerpasta, waarbij soldeerpasta nauwkeurig op de printplaatjes wordt aangebracht. Vervolgens gebruikt een pick-and-place machine een vision positioneringssysteem om componenten zoals weerstanden en condensatoren met micronprecisie op hun aangewezen posities te plaatsen. Tenslotte vormt reflow solderen stabiele elektrische verbindingen. Vergeleken met traditionele processen biedt SMT voordelen zoals kleinere componenten, hogere assemblagedichtheid en sterkere automatiseringsmogelijkheden, waardoor het bijzonder geschikt is voor de lichte en krachtige eisen van moderne elektronische producten. 

Stap twee - gedetailleerde uitleg van het afdrukproces van soldeerpasta. Het eerste proces en de kwaliteit van het soldeerpasta-printen heeft een directe invloed op de betrouwbaarheid van de daaropvolgende plaatsing en soldering. De kern van dit proces ligt in het nauwkeurig overbrengen van soldeerpasta op de PCB-pads via een stalen gaas. Drie belangrijke gebieden vereisen aandacht: fabricage van de staalmat, kalibratie van de printapparatuur en optimalisatie van de parameters. De openingsmaat van het staalgaas moet ontworpen worden om overeen te stemmen met de afstand tussen de afleidingen van de componenten en de afmetingen van de aansluitpinnen, meestal volgens de IPC-7525 norm. De verhouding breedte/dikte van de openingen moet gecontroleerd worden binnen een bereik van 1,5:1 tot 2:1 om ervoor te zorgen dat de soldeerpastasnelheid aan de specificaties voldoet. Tijdens het printproces moeten de rakelhoek (45°-60°), de druk (3-8 N/cm²) en de snelheid (20-80 mm/s) dynamisch worden aangepast op basis van het stenciltype (roestvrij staal/nano-gecoat), terwijl SPC statistische procescontrole wordt gebruikt om de printoffset, soldeerpastadikte (80-150 μm) en vormconsistentie in realtime te controleren. Voor QFN- en BGA-componenten met een kleine pitch worden vaak een vacuümzuigplatform en een vision positioneringssysteem samen gebruikt om de printnauwkeurigheid binnen ±25 μm te controleren en zo overbruggingen of defecten in koude soldeerverbindingen te voorkomen. 

Optimalisatie van het montageproces voor drie componenten. Het plaatsen van componenten is een kritieke schakel in de SMT-productieketen en de efficiëntie en nauwkeurigheid ervan hebben een directe invloed op de productopbrengst. Procesoptimalisatie moet zich richten op drie gebieden: apparatuurkeuze, parameterinstellingen en software-integratie: Ten eerste moeten hoogprecieze plaatsingsmachines worden uitgerust met meerassige bewegingssystemen en adaptieve vision positioneringsmodules om ervoor te zorgen dat de plaatsingsafwijking van componenten ter grootte van 0201 binnen ±0,035 mm blijft.Ten tweede kan de plaatsingssnelheid van onregelmatig gevormde componenten met 15%-20% worden verhoogd door de selectiestrategie van de spuitmond af te stemmen op de trillingsfrequentie van de toevoer. Ten slotte kan de dynamische padplanningfunctie van het Manufacturing Execution System (MES) de stationaire verplaatsing van de plaatsingskop met meer dan 30% verminderen en in combinatie met een real-time drukfeedbacksysteem kan het risico van schade aan componenten worden voorkomen. Op basis hiervan kan het opstellen van een SPC-model voor statistische procesbesturing voor het analyseren van trends in 12 belangrijke parameters zoals de plaatsingsdruk en het vacuümniveau meer dan 85% aan potentiële procesafwijkingen van tevoren identificeren.

Stap vier - controle van de reflow-soldeerparameters. Als kernonderdeel dat bepalend is voor de kwaliteit van de soldeerverbinding in het SMT-assemblageproces, moeten reflow-soldeerparameters systematisch worden geconfigureerd op basis van soldeerpastakenmerken, componenttypen en substraatmaterialen. Het temperatuurprofiel is een centraal element van de procesregeling, meestal verdeeld in vier fasen: voorverwarmzone, zone met constante temperatuur, reflowzone en afkoelzone. De voorverwarmingszone moet worden verwarmd met een snelheid van 1,5-3°C/seconde om 150-180°C te bereiken, waarbij thermische stress die de componenten zou kunnen beschadigen, moet worden vermeden; de temperatuurhoudende zone moet 60-120 seconden worden gehandhaafd om de flux volledig te activeren en oxiden te verwijderen; de piektemperatuur in de reflowzone moet worden geregeld op 20-40°C boven het smeltpunt van de soldeerpasta (meestal 220-250°C) gedurende 40-90 seconden om ervoor te zorgen dat het soldeer goed bevochtigd wordt; de koelsnelheid moet 2-4°C/seconde bedragen om een dichte soldeerverbindingstructuur te vormen. Voor precisiecomponenten zoals BGA's en QFP's moet thermische simulatie worden gebruikt om de uniformiteit van de heteluchtconvectie te optimaliseren, terwijl stikstofbescherming moet worden toegepast om oxidatierisico's te beperken. Moderne reflow-soldeerapparatuur is doorgaans voorzien van een onafhankelijke temperatuurregeling met meerdere zones en thermische compensatiefuncties in realtime, in combinatie met SPC-systemen voor dynamische bewaking van procesvensters, waardoor defecten zoals koude soldeerverbindingen en onvolledige soldeerverbindingen minder vaak voorkomen.

Stap vijf: analyse van de toepassing van AOI inspectietechnologie. In het SMT assemblageproductieproces dient automatische optische inspectie (AOI) als een kernonderdeel van kwaliteitscontrole, waarbij gebruik wordt gemaakt van zeer nauwkeurige beeldregistratie en intelligente algoritmen om multidimensionale analyses uit te voeren van de kwaliteit van soldeerverbindingen, componentpositionering en polariteit. Deze technologie maakt gebruik van een combinatie van lichtbronnen met meerdere hoeken en snelle camerasystemen om typische defecten zoals uniformiteit van soldeerpastadekking, verschuiving van componenten en soldeerbruggen in realtime vast te leggen, met een detectienauwkeurigheid van slechts 0,01 mm. Moderne AOI-systemen optimaliseren continu de defectherkenningsmogelijkheden door middel van deep learning-modellen, met fout-positieve percentages die nu onder 2% liggen. Ze ondersteunen ook real-time terugkoppeling van SPC-gegevens naar MES-systemen, waardoor procesparameters dynamisch kunnen worden aangepast in een gesloten-lussysteem. In de sector consumentenelektronica moet AOI apparatuur zich aanpassen aan de detectievereisten van 01005 micro-componenten, terwijl in de auto-elektronica meer nadruk wordt gelegd op de stabiliteit van de detectie van soldeerverbindingen in omgevingen met hoge temperaturen. Met de integratie van 3D-detectietechnologie en multispectrale beeldvorming ondergaan AOI-systemen een transformatieve upgrade van tweedimensionale vlakke detectie naar driedimensionale analyse.

Stap zes - Machineselectie en onderhoud. Bij SMT assemblageprocessen moet bij de selectie van apparatuur rekening worden gehouden met de productieschaal, de complexiteit van het product en de precisievereisten van het proces. Snelle pick-and-place-machines moeten de voorkeur geven aan modellen met een collaboratieve werking met meerdere spuitmonden en vision-gebaseerde positioneringscompensatie om te voldoen aan de precieze plaatsingsvereisten van micro-componenten zoals 0201 en QFN. Apparatuur voor het afdrukken van soldeerpasta moet zich richten op de nauwkeurigheid van de stencilspanning en het drukbereik van de rakel om een uniforme afzetting van soldeerpasta te garanderen. Bij het selecteren van een reflow-oven is het essentieel om het aantal temperatuurzones, de efficiëntie van de heteluchtcirculatie en de stabiliteit van het stikstofbeschermingssysteem te evalueren om soldeerdefecten of thermische schade aan componenten door afwijkingen in de temperatuurcurve te voorkomen. Het onderhoud van de apparatuur moet gestandaardiseerde procedures volgen, waaronder het dagelijks reinigen van de spuitmondjes voor plaatsingsmachines, het beheer van de smeercyclus voor transportbanden en het regelmatig kalibreren van optische inspectiesystemen. Daarnaast moet preventief onderhoud worden uitgevoerd met trillingssensoren en warmtebeeldcamera's om de impact van plotselinge apparatuurstoringen op de continuïteit van de productielijn te minimaliseren.

Stap zeven - analyse van kwaliteitscontrole in belangrijke stadia. In het productieproces van SMT assemblage is kwaliteitscontrole geïntegreerd in alle procesfasen, waarbij de focus ligt op het verminderen van defectpercentages en het garanderen van productconsistentie door middel van systematische maatregelen. Ten eerste is de inspectie van grondstoffen een fundamentele stap, waarbij de viscositeit van soldeerpasta, de samenstelling van soldeerlegeringen en de verpakkingsspecificaties van componenten streng moeten worden gecontroleerd om naleving van de IPC-A-610 norm te garanderen. Ten tweede is real-time bewaking van procesparameters van cruciaal belang. Tijdens het afdrukken van soldeerpasta moeten bijvoorbeeld de druk van de rakel en de nauwkeurigheid van de uitlijning van het stencil dynamisch worden aangepast via een SPC-systeem (Statistical Process Control) om verkeerde uitlijning of instorting te voorkomen. Tijdens het reflow solderen moet de temperatuurcurve precies overeenkomen met de eigenschappen van de soldeerpasta en de temperatuurbestendigheid van de componenten. Via een oventemperatuurtester worden gegevens verzameld om de parameters van de verwarmingszone te optimaliseren. AOI-inspectie dient als laatste inspectiemethode, waarbij multispectrale beeldvormingstechnologie wordt gebruikt om defecten zoals koude soldeerverbindingen, foutieve uitlijning en polariteitsfouten te identificeren, en waarbij röntgeninspectie wordt gecombineerd voor een doordringende analyse van verborgen soldeerverbindingen in BGA's. Daarnaast zijn de kalibratie van de onderhoudscyclus van de apparatuur en de training van de operator ook kritieke factoren om stabiliteit op lange termijn te garanderen. Door multidimensionale gegevensintegratie en een feedbackmechanisme met gesloten lus wordt een uitgebreid kwaliteitscontrolesysteem opgezet, van preventie tot correctie. 

Stap acht - toepassing en vooruitgang van de SMT-industrie. Omdat elektronische producten zich blijven ontwikkelen in de richting van miniaturisatie en hoge integratie, is SMT (Surface Mount Technology) een belangrijk fabricageproces geworden in sectoren zoals consumentenelektronica, auto-elektronica en communicatieapparatuur. In consumentenproducten zoals smartphones en draagbare apparaten maakt SMT-technologie efficiënt gebruik van de ruimte op het moederbord mogelijk door miniatuurcomponenten te plaatsen. In de auto-elektronicasector maakt SMT gebruik van zijn hoge betrouwbaarheid om te voldoen aan de strenge eisen van controlesystemen in voertuigen voor bestendigheid tegen hoge temperaturen en trillingen. Op dit moment zorgt de wijdverspreide toepassing van 5G communicatiebasisstations en IoT eindapparatuur voor een verdere evolutie van SMT processen in de richting van ultra-high-speed plaatsing en mixed-line productie van meerdere productvariëteiten. Tegelijkertijd versnelt de diepgaande integratie van smart manufacturing en Industrie 4.0 de toepassing van geavanceerde technologieën zoals AI vision inspectie en digital twins op SMT-productielijnen om dynamische optimalisatie van procesparameters en voorspelling van defecten te bereiken. In de toekomst, met de uitbreiding van opkomende markten zoals besturingssystemen voor elektrische voertuigen en medische elektronische apparaten, zal de SMT-technologie blijven doorbreken op het gebied van materiaalcompatibiliteit, milieuvriendelijke processen en precisieregeling op microniveau, waardoor cruciale technologische ondersteuning wordt geboden voor de hoogwaardige ontwikkeling van de elektronica-industrie.