PCB-kokoonpanoprosessin kulku

Mikä on PCB-kokoonpanoprosessi?

PCB-kokoonpano (Printed Circuit Board Assembly, PCBA) on täydellinen valmistusprosessi, jossa elektroniikkakomponentit asennetaan painettuihin piirilevyihin. Tähän monimutkaiseen ja tarkkaan menettelyyn kuuluu useita kriittisiä vaiheita, kuten juotospastan tulostaminen, komponenttien sijoittaminen, reflow-juottaminen, laatutarkastus ja paljon muuta, mikä lopulta muuttaa paljaat levyt täysin toimiviksi elektroniikkakokoonpanoiksi. Koska elektroniikkatuotteet kehittyvät kohti pienentämistä ja suurempaa suorituskykyä, nykyaikaiset piirilevyjen kokoonpanoprosessit edellyttävät yhä tiukempia tarkkuus- ja luotettavuusvaatimuksia.

7 keskeistä vaihetta PCB-kokoonpanoprosessissa

1. Juotospastan tulostus: Tarkkuuden kannalta kriittinen ensimmäinen vaihe

Juotospastan tulostus on PCB-kokoonpanon ensisijainen ja perustavanlaatuisin vaihe.Tässä prosessissa käytetään ruostumattomasta teräksestä valmistettuja (tyypillisesti 0,1-0,15 mm paksuja) kaavoja, jotka ovat samanlaisia kuin silkkipainatus, mutta vaativat suurempaa tarkkuutta.

Juotospastan koostumusanalyysi:
Nykyaikainen lyijytön juotospasta koostuu yleensä seuraavista aineista:

• 96,5 % Tina (Sn)
• 3% hopeaa (Ag)
• 0,5 % kupari (Cu)

Tämä seosyhdistelmä tarjoaa erinomaisen juotosominaisuuden ja mekaanisen lujuuden. Tahna sisältää myös juoksevaa ainetta, joka poistaa oksidikerrokset metallipinnoilta, vähentää juotteen pintajännitystä ja edistää juotteen virtausta ja kostumista.

Tarkka tulostusprosessi:

1. Piirilevy kiinnitetään tulostuspöydälle tarkkuuskiinnikkeillä.
2. Stencil ja PCB-tyynyt ovat tarkasti linjassa (tyypillisesti ±25μm:n toleranssin sisällä).
3. Puristin liikkuu sopivassa kulmassa (yleensä 60°) ja paineella (noin 5-10 kg) juotospastan työntämiseksi kaavan aukkojen läpi.
4. Purkamisen aikana stensiili irtoaa piirilevystä, jolloin tahna jää vain tyynyille.

Laadunvalvontapisteet:

• Juotospastan paksuuden johdonmukaisuus (mitattuna laserpaksuusmittarilla)
• Tulostusasennon tarkkuus
• Siltojen, riittämättömän juotoksen tai piikkien puuttuminen.

2.SMT-komponenttien sijoittaminen:Nopea tarkkuus “Pick and Place”

Juotospastatulostuksen jälkeen piirilevy siirtyy SMT-tuotantolinjalle (Surface Mount Technology), jossa nopeat sijoituskoneet sijoittavat komponentit tarkasti.

Nykyaikainen sijoituskonetekniikka:

• Sijoitustarkkuus: ±25μm (huippulaitteet voivat saavuttaa ±15μm).
• Sijoitusnopeus: 30 000-150 000 komponenttia tunnissa
• Komponentin vähimmäiskoko: (0,4×0,2 mm) tai pienempiä.

Sijoitusprosessin kulku:

1. Ruokintajärjestelmä: Komponentit toimitetaan teipillä, putkilla tai lokeroilla.
2. Vision yhdenmukaistaminen:Korkean resoluution kamerat tunnistavat piirilevyn merkit
3. Komponenttipoiminta:Tyhjiösuuttimet keräävät komponentit syöttölaitteista.
4. Komponenttien tarkastus:Joissakin koneissa on kamerat, joilla voidaan tarkistaa napaisuus, mitat ja mitat.
5. Tarkka sijoittelu:Komponentit sijoitetaan juotospastalle ohjelmoitujen koordinaattien mukaisesti.

Keskeiset vaikuttavia tekijöitä:

• Komponenttien syöttötarkkuus
• Suuttimen valinta ja huolto
• Koneen kalibroinnin tila
• Ympäristön valvonta (tyypillisesti 23 ± 3 °C, 40-60 % RH).

3.Reflow-juottaminen:Lämpötilaprofiili määrittää juotoslaadun

Reflow-juottaminen on kriittinen prosessi, jossa juotospasta sulatetaan luotettavien sähköliitosten muodostamiseksi, mikä edellyttää tarkkaa lämpötilaprofiilin hallintaa.

Tyypillinen reflow-lämpötilaprofiili:

1. Esilämmitysalue: Nousu 1-3 °C/s 150-180 °C:seen (aktivoi vuon).
2. Liotusvyöhyke:140-180°C 60-90 sekunnin ajan (tasaa piirilevyn ja komponentin lämpötilan).
3. Reflow-alue:235-245 °C:n huippulämpötilaan (pidetään 30-60 sekuntia).
4. Jäähdytysvyöhyke:Ohjattu jäähdytys alle 4 °C/s (estää lämpöshokin).

Reflow-uunin tyypin vertailu:

• Suulatusuuni: soveltuu monimutkaisille PCB:ille
• Infrapunauuni:mutta voi aiheuttaa varjovaikutuksia
• Höyryfaasiuuni:Erinomainen tasalaatuisuus, mutta korkeammat kustannukset, lähinnä sotilastuotteille.

Kaksipuolinen PCB Special Handling:
Kaksipuolisilla SMT-piirilevyillä juotetaan yleensä ensin se puoli, jossa on kevyempiä komponentteja. Varmista toisen uudelleenjuottamisen aikana, että aiemmin juotetut komponentit kestävät lämpötilan.

4.Laadun tarkastus:Luotettavuus varmistetaan useilla suojauksilla

Juottamisen jälkeen piirilevyille tehdään tiukat laatutarkastukset, mukaan lukien:

4.1 Manuaalinen silmämääräinen tarkastus

• Sovellukset: Piensarjatuotanto, jälkityön tarkastus
• Tarkastukset:Puuttuvat/väärät komponentit, käänteinen napaisuus, ilmeiset juotosvirheet.
• Rajoitukset:Vain näkyvät liitokset.

4.2 Automaattinen optinen tarkastus (AOI)

• Periaate: Monikulmaiset korkearesoluutioiset kamerat vertaavat kultaisia näytteitä.
• Kyvyt:Juotosmäärä, silloitus, komponenttien virheasento
• Edut:Nopea (tyypillisesti 3-10 sekuntia/lauta), johdonmukainen.
• Tekniset tiedot:5 % väärä hälytysaste: 20μm resoluutio, < 5 % väärä hälytysaste

4.3 Röntgentarkastus (AXI)

• Sovellukset: BGA, QFN ja muut piiloliitokset
• Kyvyt:Juotospallojen eheys, tyhjät tilat, kerrosten kohdistus.
• Järjestelmät:3D-röntgen (tomografia): 2D-röntgen (edullisempi), 3D-röntgen (tomografia)

Tilastollinen prosessinohjaus (SPC):
Nykyaikaiset PCBA-tehtaat syöttävät tarkastustietoja takaisin reaaliaikaisesti ja käyttävät SPC-menetelmiä prosessin vakauden valvomiseksi ja erävirheiden ehkäisemiseksi.

5.Läpivientireikäinen komponenttien kokoonpano:Perinteinen tekniikka nykyaikaisissa sovelluksissa

Vaikka SMT hallitsee, monet piirilevyt vaativat edelleen THT-komponentteja (Through-Hole Technology), erityisesti liittimiä ja suuritehoisia laitteita.

Kaksi tärkeintä juotosmenetelmää:

5.1 Aaltojuottaminen

• Prosessi: Puhdistus: Asentaminen→liimakiinnitys→aaltojuotos→puhdistus.
• Aaltotyypit:aalto (λ-aalto), kaksoisaalto (turbulentti+tasainen).
• Lämpötila:250-260°C
• Sovellukset:Suuren volyymin yksipuoliset sekateknologia-levyt.

5.2 Valikoiva juottaminen

• Periaate: Paikallinen juottaminen tiettyjä läpivientireikiä varten.
• Edut:ihanteellinen kaksipuolisille levyille.
• Vaihtoehdot:Laserjuottaminen, mikroaaltouuni, juotosrobotti

Käsijuottaminen Essentials:

• Lämpötilan säätö: 300-350 °C komponentin koon mukaan.
• Kesto: 2-3 sekuntia niveltä kohti vahinkojen välttämiseksi
• Juotoksen määrä: Muodostaa noin 45° kartiomaisia täytteitä

6.Toiminnallinen testaus:Suunnittelun vaatimustenmukaisuuden tarkistaminen

Toiminnallinen testaus on viimeinen laadun tarkastuspiste, jossa tuotteen suorituskyky validoidaan.

Yleiset testausmenetelmät:

6.1 Piirin sisäinen testi (ICT)

• Käyttää “bed-of-nails” -kiinnikettä testipisteiden koskettamiseen.
• Tarkastukset: komponenttien arvot, perustoiminnot.
• Edut:Tarkka vikapaikannus, nopea testaus

6.2 Toimintapiirin testaus (FCT)

• Simuloi todellisia käyttöolosuhteita
• Syöttää testisignaaleja, tarkistaa ulostulot
• Voidaan integroida automaation kanssa 100-prosenttista testausta varten

6.3 Rajatarkkailutesti

• Suuritiheyksisille, vaikeapääsyisille PCB:ille
• Käyttää JTAG-liitäntää
• Ihanteellinen ohjelmoitaville laitteille (FPGA, CPLD).

Testauksen kattavuuden analyysi:
Erinomaisten testaussuunnitelmien tulisi kattaa > 90 % mahdollisista vikatilanteista, jotka on optimoitu vikatilojen ja vaikutusten analyysin (FMEA) avulla.

7.Puhdistus ja suojaus:Avaimet tuotteen pitkäikäisyyteen

Nykyaikaisen elektroniikan korkeat luotettavuusvaatimukset tekevät puhdistamisesta yhä kriittisempää.

Puhdistusprosessin vaihtoehdot:

7.1 Vesipohjainen puhdistus

• Käyttää deionisoitua vettä (ominaisvastus >1MΩ-cm).
• Voi lisätä ympäristöystävällisiä puhdistusaineita
• Sopii useimmille tavanomaisille elektroniikkalaitteille

7.2 Liuotinpuhdistus

• Käyttää alkoholia tai hiilivetyjä sisältäviä liuottimia
• Vahva puhdistuskyky, nopea kuivuminen
• Vaatii turvallisuus- ja ympäristövarotoimia

7.3 No-Clean-prosessi

• Käyttää vähän jäämiä sisältävää, ei-puhdistuvaa juotospastaa
• Täytyy silti täyttää ionisen puhtauden standardit (<1,56μg/cm² NaCl-ekvivalentti).

Conformal Coating:
Soveltuu vaativiin ympäristösovelluksiin:

• Akryyli: Helppo levitys ja jälkityö
• Polyuretaani: Erinomainen kemiallinen kestävyys
• Silikoni: Ylivoimainen suorituskyky korkeissa lämpötiloissa

Nykyaikaiset PCB-kokoonpanon trendit

HDI-tekniikka (High-Density Interconnect)

• Hienommat viivat (<50μm)
• Microvia-tekniikka (sokeat / upotetut läpiviennit)
• Minkä tahansa kerroksen yhteenliittäminen

Joustavan elektroniikan valmistus

• Joustava substraattikokoonpano
• 3D kaareva pinta-asennus
• Venyvät elektroniset piirit

Älykkään valmistuksen muutos

• Digitaalisen kaksosen sovellukset
• Tekoälyavusteinen laaduntarkastus
• Mukautuvat tuotantojärjestelmät

Vihreää tuotantoa koskevat vaatimukset

• Lyijyttömiä halogeenittomia materiaaleja
• Energiatehokkaat prosessit
• Jätteiden kierrätys

Yleiset PCB-kokoonpanoon liittyvät ongelmat ja ratkaisut

Päätelmä

Piirilevykokoonpano on kriittinen valmistusprosessi, jossa suunnitelmat muutetaan fyysisiksi tuotteiksi ja jossa yhdistyvät materiaalitiede, tarkkuusmekaniikka, automaatio ja paljon muuta. Elektroniikan monimutkaistuessa nykyaikaiset PCBA-prosessit kehittyvät kohti suurempaa tarkkuutta, tehokkuutta ja älykkyyttä. Koko kokoonpanon työnkulun ja keskeisten valvontapisteiden hallinta on olennaisen tärkeää laadun ja tuottavuuden varmistamiseksi. Olipa kyse sitten pienen volyymin ja suuren sekoituksen tai massatuotannosta, asianmukaisten prosessireittien ja laatumenetelmien valinta tuotteen ominaisuuksien perusteella on edelleen olennaisen tärkeää.