Conheça a SMT: análise dos principais processos da SMT

Antes de conhecermos a análise dos processos principais da SMT. Primeiro, discutiremos a progressão da tecnologia de montagem em superfície (SMT), que é crucial para o setor de eletrônicos e muito mais. A SMT permite a criação de dispositivos eletrônicos menores, mais leves e mais compactos, possibilitando o uso de componentes de montagem em superfície (SMDs) minúsculos, e é essencial para wearables, smartphones, dispositivos de IoT e implantes médicos. Os componentes SMT têm comprimentos de chumbo mais curtos, reduzindo a capacitância e a indutância parasitas, levando a um processamento de sinal mais rápido e essencial para aplicações de alta frequência, como 5G, chips de IA e computação avançada. As linhas de montagem automatizadas com tecnologia de montagem em superfície (SMT) podem aumentar a velocidade de produção e reduzir o erro humano, além de permitir a produção em massa de baixo custo de placas de circuito impresso (PCBs) complexas. Os SMDs são menos propensos a estresse mecânico (sem fios de passagem), melhorando a longevidade e são melhores em termos de confiabilidade da junta de solda em ambientes adversos (automotivo, aeroespacial). Possibilita interconexões de alta densidade (HDI) e PCBs multicamadas necessárias para IA, computação quântica e robótica avançada e facilita a integração de técnicas avançadas de empacotamento (por exemplo, ICs 3D, designs baseados em chiplets). 

Há muitos aspectos que afetam o processo, a qualidade e o resultado do componente de chip fabricado por SMT. Por ser um processo essencial na fabricação de eletrônicos modernos, é eficiente explorar a montagem do componente por meio de equipamentos de precisão e otimização de processos. Sua principal cadeia de processos abrange quatro estágios principais: impressão de pasta de solda, colocação de componentes, solda por refluxo e inspeção AOI. Cada etapa tem sua própria finalidade: deposição precisa de solda, posicionamento de componentes, formação confiável de juntas de solda e triagem de defeitos. É interessante notar que cada etapa também tem sua variável principal que pode afetar diretamente o resultado da fabricação. Espessura da malha de aço e pressão do rodo, precisão da máquina pick-and-place e tipo de bico, curva da zona de temperatura e temperatura de pico e algoritmo de detecção de resolução óptica. Todos eles exigem uma conformidade rigorosa com os parâmetros do processo e os requisitos de precisão do equipamento. Por exemplo, o design da malha de aço na impressão da pasta de solda afeta diretamente a qualidade da junta de solda, enquanto a seleção de bicos e a precisão da máquina de colocação no processo de colocação determinam a precisão do posicionamento do componente. Para entender melhor como a análise funciona, há um total de oito etapas.

Primeira etapa - visão geral dos princípios da tecnologia de montagem de chips SMT. A SMT permite uma montagem eficiente ao montar diretamente os componentes eletrônicos na superfície de uma PCB. Seu princípio fundamental consiste em abandonar os processos tradicionais de montagem através de orifícios e, em vez disso, utilizar componentes miniaturizados e equipamentos de precisão para obter um layout de alta densidade. O processo começa com a impressão de pasta de solda, em que a pasta de solda é aplicada com precisão às almofadas da placa de circuito impresso. Em seguida, uma máquina pick-and-place usa um sistema de posicionamento por visão para colocar componentes como resistores e capacitores com precisão em nível de mícron em suas posições designadas. Por fim, a solda por refluxo forma conexões elétricas estáveis. Em comparação com os processos tradicionais, o SMT oferece vantagens como tamanho menor dos componentes, maior densidade de montagem e recursos de automação mais fortes, o que o torna particularmente adequado aos requisitos de leveza e alto desempenho dos produtos eletrônicos modernos. 

Etapa dois - explicação detalhada do processo de impressão da pasta de solda. O primeiro processo e a qualidade da impressão da pasta de solda afetam diretamente a confiabilidade da colocação e da soldagem subsequentes. O núcleo desse processo está na transferência precisa de pasta de solda para as almofadas da placa de circuito impresso por meio de uma malha de aço. Três áreas principais requerem atenção: fabricação da malha de aço, calibração do equipamento de impressão e otimização de parâmetros. O tamanho da abertura da malha de aço deve ser projetado para corresponder ao espaçamento do condutor do componente e às dimensões da almofada, normalmente seguindo o padrão IPC-7525. A relação entre a largura e a espessura das aberturas deve ser controlada dentro da faixa de 1,5:1 a 2:1 para garantir que a taxa de liberação da pasta de solda atenda às especificações. Durante o processo de impressão, o ângulo do rodo (45°-60°), a pressão (3-8 N/cm²) e a velocidade (20-80 mm/s) devem ser ajustados dinamicamente com base no tipo de estêncil (aço inoxidável/nano-revestido), enquanto o controle estatístico de processo SPC é usado para monitorar o deslocamento da impressão, a espessura da pasta de solda (80-150 μm) e a consistência da forma em tempo real. Para componentes QFN e BGA de passo fino, uma plataforma de sucção a vácuo e um sistema de posicionamento de visão são frequentemente usados em conjunto para controlar a precisão da impressão em ±25 μm, evitando defeitos de ponte ou de junta de solda fria. 

Otimização do processo de montagem de três componentes. A colocação de componentes é um elo crítico na cadeia de produção SMT, e sua eficiência e precisão afetam diretamente o rendimento do produto. A otimização do processo deve se concentrar em três áreas: seleção de equipamentos, configurações de parâmetros e integração de software: Primeiro, as máquinas de colocação de alta precisão devem ser equipadas com sistemas de movimento de vários eixos e módulos de posicionamento de visão adaptável para garantir que o desvio de colocação de componentes de tamanho 0201 seja controlado dentro de ±0.035 mm; em segundo lugar, ao combinar a estratégia de seleção de bicos com a frequência de vibração do alimentador, a velocidade de colocação de componentes de formato irregular pode ser aumentada em 15%-20%; por fim, a função de planejamento de caminho dinâmico do Manufacturing Execution System (MES) pode reduzir o deslocamento ocioso do cabeçote de colocação em mais de 30% e, quando combinada com um sistema de feedback de pressão em tempo real, pode evitar o risco de danos aos componentes. Com base nisso, o estabelecimento de um modelo de controle estatístico de processo SPC para analisar tendências em 12 parâmetros-chave, como pressão de colocação e nível de vácuo, pode identificar antecipadamente mais de 85% de possíveis anormalidades no processo.

Etapa quatro - controle de parâmetros de solda por refluxo. Como um componente central que determina a qualidade da junta de solda no processo de montagem SMT, os parâmetros de solda por refluxo devem ser sistematicamente configurados com base nas características da pasta de solda, nos tipos de componentes e nos materiais de substrato. O perfil de temperatura é um elemento central do controle do processo, normalmente dividido em quatro estágios: zona de pré-aquecimento, zona de temperatura constante, zona de refluxo e zona de resfriamento. A zona de pré-aquecimento deve ser aquecida a uma taxa de 1,5 a 3°C/segundo para atingir 150 a 180°C, evitando o estresse térmico que poderia danificar os componentes; a zona de manutenção da temperatura deve ser mantida por 60 a 120 segundos para ativar totalmente o fluxo e remover os óxidos; o pico de temperatura na zona de refluxo deve ser controlado em 20 a 40°C acima do ponto de fusão da pasta de solda (normalmente 220 a 250°C) por 40 a 90 segundos para garantir a umectação adequada da solda; a taxa de resfriamento deve ser mantida em 2 a 4°C/segundo para formar uma estrutura de junta de solda densa. Para componentes de precisão, como BGAs e QFPs, a simulação térmica deve ser usada para otimizar a uniformidade da convecção de ar quente, enquanto a proteção de nitrogênio deve ser empregada para reduzir os riscos de oxidação. Os equipamentos modernos de solda por refluxo normalmente apresentam controle de temperatura independente de várias zonas e funções de compensação térmica em tempo real, combinados com sistemas SPC para monitoramento dinâmico de janelas de processo, reduzindo efetivamente a incidência de defeitos, como juntas de solda frias e incompletas.

Etapa cinco - Análise da aplicação da tecnologia de inspeção AOI. No processo de produção de montagem SMT, a inspeção óptica automática (AOI) serve como um componente central do controle de qualidade, utilizando captura de imagem de alta precisão e algoritmos inteligentes para realizar análises multidimensionais da qualidade da junta de solda, do posicionamento do componente e da polaridade. Essa tecnologia emprega uma combinação de fontes de iluminação de vários ângulos e sistemas de câmeras de alta velocidade para capturar em tempo real defeitos típicos, como uniformidade da cobertura da pasta de solda, deslocamento de componentes e ponte de solda, alcançando uma precisão de detecção de até 0,01 mm. Os sistemas modernos de AOI otimizam continuamente os recursos de reconhecimento de defeitos por meio de modelos de aprendizagem profunda, com taxas de falsos positivos agora abaixo de 2%. Eles também suportam feedback em tempo real de dados SPC para sistemas MES, permitindo o ajuste dinâmico dos parâmetros do processo em um sistema de loop fechado. No setor de eletrônicos de consumo, o equipamento AOI deve se adaptar aos requisitos de detecção de microcomponentes 01005, enquanto os eletrônicos automotivos dão maior ênfase à estabilidade da detecção de juntas de solda em ambientes de alta temperatura. Com a integração da tecnologia de detecção 3D e da geração de imagens multiespectrais, os sistemas AOI estão passando por uma atualização transformadora da detecção planar bidimensional para a análise tridimensional.

Etapa seis - Pontos-chave da seleção e manutenção de máquinas. Nos processos de montagem SMT, a seleção de equipamentos deve considerar de forma abrangente a escala de produção, a complexidade do produto e os requisitos de precisão do processo. As máquinas pick-and-place de alta velocidade devem priorizar modelos com operação colaborativa de vários bicos e recursos de compensação de posicionamento baseados em visão para atender aos requisitos de posicionamento preciso de microcomponentes como 0201 e QFN. Os equipamentos de impressão de pasta de solda devem se concentrar na precisão do controle de tensão do estêncil e na faixa de ajuste da pressão do rodo para garantir a deposição uniforme da pasta de solda. Ao selecionar um forno de refluxo, é essencial avaliar o número de zonas de temperatura, a eficiência da circulação de ar quente e a estabilidade do sistema de proteção de nitrogênio para evitar defeitos de solda ou danos térmicos aos componentes causados por desvios na curva de temperatura. A manutenção dos equipamentos deve seguir procedimentos padronizados, incluindo a limpeza diária dos bicos das máquinas de colocação, o gerenciamento do ciclo de lubrificação das esteiras transportadoras e a calibração regular dos sistemas de inspeção óptica. Além disso, a manutenção preventiva deve ser implementada com o uso de sensores de vibração e câmeras de imagens térmicas para minimizar o impacto de falhas repentinas nos equipamentos sobre a continuidade da linha de produção.

Etapa sete - análise do controle de qualidade nos principais estágios. No processo de produção de montagem SMT, o controle de qualidade é integrado em todos os estágios do processo, com o foco principal na redução das taxas de defeitos e na garantia da consistência do produto por meio de medidas sistemáticas. Em primeiro lugar, a inspeção da matéria-prima é uma etapa fundamental, exigindo uma verificação rigorosa da viscosidade da pasta de solda, da composição da liga de solda e das especificações de embalagem dos componentes para garantir a conformidade com o padrão IPC-A-610. Em segundo lugar, o monitoramento em tempo real dos parâmetros do processo é fundamental. Por exemplo, durante o estágio de impressão da pasta de solda, a pressão do rodo e a precisão do alinhamento do estêncil devem ser ajustadas dinamicamente por meio de um sistema SPC (Statistical Process Control) para evitar desalinhamento ou colapso. Durante o estágio de solda por refluxo, a curva de temperatura deve corresponder precisamente às características da pasta de solda e à resistência à temperatura do componente. Os dados são coletados por meio de um testador de temperatura do forno para otimizar os parâmetros da zona de aquecimento. A inspeção AOI serve como método de inspeção final, usando a tecnologia de imagem multiespectral para identificar defeitos como juntas de solda fria, desalinhamento e erros de polaridade, e combinando a inspeção de raios X para análise penetrante de juntas de solda ocultas em BGAs. Além disso, a calibração do ciclo de manutenção do equipamento e o treinamento das habilidades do operador também são fatores essenciais para garantir a estabilidade a longo prazo. Por meio da integração de dados multidimensionais e de um mecanismo de feedback de circuito fechado, é estabelecido um sistema de controle de qualidade abrangente, que vai da prevenção à correção. 

Oitava etapa - aplicação e progressão do setor de SMT. Como os produtos eletrônicos continuam a evoluir em direção à miniaturização e à alta integração, a tecnologia de montagem em superfície (SMT) tornou-se um processo de fabricação essencial em setores como o de eletrônicos de consumo, eletrônicos automotivos e equipamentos de comunicação. Em produtos de consumo, como smartphones e dispositivos vestíveis, a tecnologia SMT permite o uso eficiente do espaço da placa-mãe por meio da colocação de componentes em miniatura. No setor de eletrônicos automotivos, a SMT aproveita sua alta confiabilidade para atender aos requisitos rigorosos dos sistemas de controle em veículos quanto à resistência a altas temperaturas e à vibração. Atualmente, a adoção generalizada de estações base de comunicação 5G e dispositivos terminais de IoT está impulsionando ainda mais a evolução dos processos SMT em direção à colocação em velocidade ultra-alta e à produção em linha mista de diversas variedades de produtos. Ao mesmo tempo, a profunda integração da manufatura inteligente e do setor 4.0 está acelerando a adoção de tecnologias avançadas, como inspeção de visão de IA e gêmeos digitais nas linhas de produção de SMT para obter a otimização dinâmica dos parâmetros do processo e a previsão de defeitos. No futuro, com a expansão de mercados emergentes, como sistemas de controle de veículos elétricos e dispositivos médicos eletrônicos, a tecnologia SMT continuará a avançar em termos de compatibilidade de materiais, processos ecologicamente corretos e controle de precisão em nível de mícron, fornecendo suporte tecnológico essencial para o desenvolvimento de alta qualidade do setor de fabricação de produtos eletrônicos.