Zoznámte sa s SMT: analýza základných procesov SMT

Skôr ako sa oboznámime s analýzou základných procesov SMT. Najskôr si povieme o vývoji technológie povrchovej montáže (SMT), ktorá je kľúčová pre elektronický priemysel aj mimo neho. SMT umožňuje vytvárať menšie, ľahšie a kompaktnejšie elektronické zariadenia tým, že umožňuje používať drobné súčiastky na povrchovú montáž (SMD) a je nevyhnutná pre nositeľné zariadenia, smartfóny, zariadenia internetu vecí a lekárske implantáty. Komponenty SMT majú kratšie dĺžky vývodov, čím sa znižuje parazitná kapacita a indukčnosť, čo vedie k rýchlejšiemu spracovaniu signálu a je rozhodujúce pre vysokofrekvenčné aplikácie, ako sú 5G, čipy umelej inteligencie a pokročilé výpočty. Automatizované montážne linky s technológiou povrchovej montáže (SMT) môžu zvýšiť rýchlosť výroby a znížiť chybovosť ľudského faktora a môžu umožniť nízkonákladovú hromadnú výrobu zložitých dosiek plošných spojov (PCB). SMD sú menej náchylné na mechanické namáhanie (bez priechodných vodičov), čím sa zlepšuje ich životnosť a majú lepšiu spoľahlivosť spájkovaných spojov v náročných podmienkach (automobilový a letecký priemysel). Umožňujú prepojenia s vysokou hustotou (HDI) a viacvrstvové PCB potrebné pre AI, kvantové výpočty a pokročilú robotiku a uľahčujú integráciu pokročilých baliacich techník (napr. 3D IC, návrhy založené na čipoch). 

Existuje mnoho aspektov, ktoré ovplyvňujú proces, kvalitu a výsledok výroby čipových komponentov SMT. Keďže ide o základný proces v modernej výrobe elektroniky, je efektívne využívať montáž súčiastok prostredníctvom presného zariadenia a optimalizácie procesu. Jeho základný procesný reťazec zahŕňa štyri kľúčové fázy: tlač spájkovacej pasty, umiestnenie súčiastky, spájkovanie pretavením a kontrolu AOI. Každý krok má svoj vlastný účel - presné nanášanie spájky, umiestnenie súčiastky, spoľahlivé vytvorenie spájkovaného spoja, kontrola chýb. Je zaujímavé, že každý krok má aj svoju kľúčovú premennú, ktorá môže priamo ovplyvniť výsledok výroby. Hrúbka oceľovej siete a tlak stierky, presnosť pick-and-place stroja a typ trysky, krivka teplotnej zóny a špičková teplota a algoritmus detekcie optického rozlíšenia. Všetky si vyžadujú prísne dodržiavanie parametrov procesu a požiadaviek na presnosť zariadenia. Napríklad konštrukcia oceľovej sieťky pri tlači spájkovacej pasty priamo ovplyvňuje kvalitu spájkovaného spoja, zatiaľ čo výber dýz a presnosť umiestňovacieho stroja v procese umiestňovania určujú presnosť umiestnenia súčiastky. Aby ste lepšie pochopili, ako analýza funguje, existuje celkom osem krokov.

Prvý krok - prehľad princípov technológie montáže čipov SMT. SMT umožňuje efektívnu montáž priamou montážou elektronických komponentov na povrch dosky plošných spojov. Jej základný princíp spočíva v opustení tradičných postupov priechodnej montáže a namiesto toho využíva miniaturizované komponenty a presné zariadenia na dosiahnutie vysokej hustoty rozloženia. Proces sa začína tlačou spájkovacej pasty, pri ktorej sa spájkovacia pasta presne nanáša na podložky DPS. Následne stroj pick-and-place využíva systém polohovania s videním na umiestnenie komponentov, ako sú rezistory a kondenzátory, s presnosťou na úrovni mikrónov na určené pozície. Napokon sa spájkovaním pretavením vytvoria stabilné elektrické spoje. V porovnaní s tradičnými procesmi ponúka SMT výhody, ako sú menšie rozmery komponentov, vyššia hustota montáže a silnejšie možnosti automatizácie, vďaka čomu je obzvlášť vhodná pre požiadavky na nízku hmotnosť a vysoký výkon moderných elektronických výrobkov. 

Druhý krok - podrobné vysvetlenie procesu tlače spájkovacej pasty. Prvý proces a kvalita tlače spájkovacej pasty priamo ovplyvňuje spoľahlivosť následného umiestnenia a spájkovania. Podstata tohto procesu spočíva v presnom prenose spájkovacej pasty na podložky DPS prostredníctvom oceľovej sieťky. Pozornosť si vyžadujú tri kľúčové oblasti: výroba oceľovej sieťky, kalibrácia tlačového zariadenia a optimalizácia parametrov. Veľkosť otvoru oceľovej sieťky musí byť navrhnutá tak, aby zodpovedala vzdialenosti vývodov súčiastok a rozmerom podložiek, zvyčajne podľa normy IPC-7525. Pomer šírky a hrúbky otvorov by sa mal kontrolovať v rozsahu 1,5:1 až 2:1, aby sa zabezpečilo, že rýchlosť uvoľňovania spájkovacej pasty spĺňa špecifikácie. Počas procesu tlače sa musí dynamicky upravovať uhol stierky (45° - 60°), tlak (3 - 8 N/cm²) a rýchlosť (20 - 80 mm/s) na základe typu šablóny (nehrdzavejúca oceľ/nano povlak), pričom štatistická kontrola procesu SPC sa používa na monitorovanie posunu tlače, hrúbky spájkovacej pasty (80 - 150 μm) a konzistencie tvaru v reálnom čase. V prípade komponentov QFN a BGA s jemnou roztečou sa často používa vákuová odsávacia platforma a systém polohovania pomocou videnia, ktoré kontrolujú presnosť tlače v rozmedzí ±25 μm, čím sa predchádza vzniku mostíkov alebo defektov studených spájkovaných spojov. 

Optimalizácia trojzložkového montážneho procesu. Umiestňovanie komponentov je kritickým článkom výrobného reťazca SMT a jeho efektívnosť a presnosť priamo ovplyvňujú výťažnosť výrobku. Optimalizácia procesu by sa mala zamerať na tri oblasti: výber zariadenia, nastavenie parametrov a integráciu softvéru: Po prvé, vysoko presné stroje na umiestňovanie musia byť vybavené viacosovými pohybovými systémami a modulmi na polohovanie s adaptívnym videním, aby sa zabezpečila kontrola odchýlky umiestňovania komponentov veľkosti 0201 v rozmedzí ±0.035 mm; po druhé, zosúladením stratégie výberu dýzy s frekvenciou vibrácií podávača možno zvýšiť rýchlosť umiestňovania komponentov nepravidelného tvaru o 15%-20%; napokon, funkcia dynamického plánovania dráhy systému MES (Manufacturing Execution System) môže znížiť voľnobeh umiestňovacej hlavy o viac ako 30% a v kombinácii so systémom spätnej väzby tlaku v reálnom čase môže zabrániť riziku poškodenia komponentu. Na základe toho môže vytvorenie modelu štatistickej kontroly procesu SPC na analýzu trendov v 12 kľúčových parametroch, ako je umiestňovací tlak a úroveň vákua, vopred identifikovať viac ako 85% potenciálnych abnormalít procesu.

Štvrtý krok - kontrola parametrov spájkovania. Parametre spájkovania pretavením, ktoré sú základným prvkom určujúcim kvalitu spájkovaného spoja v procese montáže SMT, sa musia systematicky konfigurovať na základe vlastností spájkovacej pasty, typov komponentov a materiálov substrátu. Teplotný profil je ústredným prvkom riadenia procesu, ktorý sa zvyčajne delí na štyri stupne: zóna predhrievania, zóna konštantnej teploty, zóna pretavovania a zóna chladenia. Predhrievacia zóna by sa mala zahrievať rýchlosťou 1,5 - 3 °C za sekundu, aby sa dosiahla teplota 150 - 180 °C, čím sa zabráni tepelnému namáhaniu, ktoré by mohlo poškodiť súčiastky; zóna udržiavania teploty sa musí udržiavať 60 - 120 sekúnd, aby sa úplne aktivovalo tavidlo a odstránili oxidy; špičková teplota v zóne pretavovania sa musí kontrolovať na úrovni 20 - 40 °C nad bodom tavenia spájkovacej pasty (zvyčajne 220 - 250 °C) počas 40 - 90 sekúnd, aby sa zabezpečilo primerané zmáčanie spájky; rýchlosť chladenia sa musí udržiavať na úrovni 2 - 4 °C za sekundu, aby sa vytvorila hustá štruktúra spájkovaného spoja. V prípade presných komponentov, ako sú BGA a QFP, by sa mala použiť tepelná simulácia na optimalizáciu rovnomernosti konvekcie horúceho vzduchu, pričom by sa mala použiť ochrana dusíkom na zníženie rizika oxidácie. Moderné zariadenia na spájkovanie pretavovaním sú zvyčajne vybavené viaczónovou nezávislou reguláciou teploty a funkciami tepelnej kompenzácie v reálnom čase v kombinácii so systémami SPC na dynamické monitorovanie okien procesu, čo účinne znižuje výskyt chýb, ako sú studené spájkované spoje a neúplné spájkované spoje.

Piaty krok - Analýza aplikácie technológie kontroly AOI. Vo výrobnom procese montáže SMT slúži automatická optická kontrola (AOI) ako základná zložka kontroly kvality, ktorá využíva vysoko presné snímanie obrazu a inteligentné algoritmy na viacrozmernú analýzu kvality spájkovaných spojov, umiestnenia komponentov a polarity. Táto technológia využíva kombináciu zdrojov osvetlenia s viacerými uhlami a vysokorýchlostných kamerových systémov na zachytenie typických chýb v reálnom čase, ako je rovnomernosť pokrytia spájkovacou pastou, posun súčiastok a premostenie spájky, pričom dosahuje presnosť detekcie až 0,01 mm. Moderné systémy AOI neustále optimalizujú schopnosti rozpoznávania chýb prostredníctvom modelov hlbokého učenia, pričom miera falošne pozitívnych výsledkov je v súčasnosti nižšia ako 2%. Podporujú tiež spätnú väzbu údajov SPC v reálnom čase do systémov MES, čo umožňuje dynamické nastavenie parametrov procesu v uzavretom systéme. V sektore spotrebnej elektroniky sa zariadenia AOI musia prispôsobiť požiadavkám na detekciu mikrosúčiastok 01005, zatiaľ čo automobilová elektronika kladie väčší dôraz na stabilitu detekcie spájkovaných spojov v prostredí s vysokými teplotami. Vďaka integrácii technológie 3D detekcie a multispektrálneho zobrazovania prechádzajú systémy AOI transformačnou modernizáciou z dvojrozmernej rovinnej detekcie na trojrozmernú analýzu.

Šiesty krok - výber stroja a kľúčové body údržby. Pri procesoch montáže SMT musí výber zariadenia komplexne zohľadňovať rozsah výroby, zložitosť výrobku a požiadavky na presnosť procesu. Vysokorýchlostné stroje na vyberanie a umiestňovanie by mali uprednostňovať modely s kooperatívnou prevádzkou s viacerými dýzami a možnosťami kompenzácie polohy na základe videnia, aby sa splnili požiadavky na presné umiestňovanie mikrokomponentov, ako sú 0201 a QFN. Zariadenia na tlač spájkovacej pasty by sa mali zamerať na presnosť riadenia napätia šablóny a rozsah nastavenia tlaku stierky s cieľom zabezpečiť rovnomerné nanášanie spájkovacej pasty. Pri výbere pretavovacej pece je nevyhnutné posúdiť počet teplotných zón, účinnosť cirkulácie horúceho vzduchu a stabilitu systému ochrany dusíkom, aby sa zabránilo chybám spájkovania alebo tepelnému poškodeniu súčiastky spôsobenému odchýlkami teplotnej krivky. Údržba zariadení by sa mala riadiť štandardizovanými postupmi vrátane každodenného čistenia dýz pre umiestňovacie stroje, riadenia mazacích cyklov pre dopravné dráhy a pravidelnej kalibrácie optických kontrolných systémov. Okrem toho by sa mala zaviesť preventívna údržba pomocou snímačov vibrácií a termovíznych kamier, aby sa minimalizoval vplyv náhlych porúch zariadení na plynulosť výrobnej linky.

Siedmy krok - analýza kontroly kvality v kľúčových fázach. Vo výrobnom procese montáže SMT je kontrola kvality integrovaná vo všetkých fázach procesu, pričom sa zameriava najmä na zníženie počtu chýb a zabezpečenie konzistentnosti výrobku prostredníctvom systematických opatrení. Prvým základným krokom je kontrola surovín, ktorá si vyžaduje prísne overenie viskozity spájkovacej pasty, zloženia spájkovacej zliatiny a špecifikácií balenia komponentov s cieľom zabezpečiť súlad s normou IPC-A-610. Po druhé, rozhodujúce je monitorovanie parametrov procesu v reálnom čase. Napríklad počas fázy tlače spájkovacej pasty sa musí dynamicky upravovať tlak stierky a presnosť zarovnania šablóny prostredníctvom systému SPC (štatistická kontrola procesu), aby sa zabránilo nesprávnemu zarovnaniu alebo zrúteniu. Počas fázy spájkovania pretavením musí teplotná krivka presne zodpovedať vlastnostiam spájkovacej pasty a teplotnej odolnosti súčiastky. Údaje sa zhromažďujú prostredníctvom testera teploty v peci s cieľom optimalizovať parametre ohrievacej zóny. Kontrola AOI slúži ako záverečná metóda kontroly, ktorá využíva multispektrálnu zobrazovaciu technológiu na identifikáciu chýb, ako sú studené spájkované spoje, nesprávne zarovnanie a chyby v polarite, a kombinuje röntgenovú kontrolu na penetračnú analýzu skrytých spájkovaných spojov v BGA. Okrem toho sú rozhodujúcimi faktormi pri zabezpečovaní dlhodobej stability aj kalibrácia cyklov údržby zariadení a školenie obsluhy. Prostredníctvom viacrozmernej integrácie údajov a mechanizmu spätnej väzby s uzavretou slučkou sa vytvára komplexný systém kontroly kvality, ktorý sa rozprestiera od prevencie až po nápravu. 

Ôsmy krok - aplikácia a postup SMT priemyslu. Keďže elektronické výrobky sa naďalej vyvíjajú smerom k miniaturizácii a vysokej integrácii, technológia povrchovej montáže (SMT) sa stala základným výrobným procesom v odvetviach, ako sú spotrebná elektronika, automobilová elektronika a komunikačné zariadenia. V spotrebných výrobkoch, ako sú smartfóny a nositeľné zariadenia, umožňuje technológia SMT efektívne využívať priestor na základnej doske umiestnením miniatúrnych komponentov. V odvetví automobilovej elektroniky využíva SMT svoju vysokú spoľahlivosť na splnenie prísnych požiadaviek riadiacich systémov vo vozidlách na odolnosť voči vysokým teplotám a vibráciám. V súčasnosti rozsiahle zavádzanie komunikačných základňových staníc 5G a koncových zariadení internetu vecí ďalej podporuje vývoj procesov SMT smerom k ultravysokorýchlostnému umiestňovaniu a zmiešanej linkovej výrobe viacerých druhov výrobkov. Hlboká integrácia inteligentnej výroby a Priemyslu 4.0 súčasne urýchľuje zavádzanie pokročilých technológií, ako je napríklad kontrola videním s umelou inteligenciou a digitálne dvojčatá, na výrobných linkách SMT s cieľom dosiahnuť dynamickú optimalizáciu parametrov procesu a predpovedanie chýb. V budúcnosti, s expanziou rozvíjajúcich sa trhov, ako sú riadiace systémy elektrických vozidiel a zdravotnícke elektronické zariadenia, bude technológia SMT naďalej prekonávať hranice z hľadiska kompatibility materiálov, procesov šetrných k životnému prostrediu a presnej kontroly na úrovni mikrónov, čím poskytne rozhodujúcu technologickú podporu pre vysokokvalitný rozvoj elektronického výrobného priemyslu.