Технологический процесс сборки печатной платы

Что такое процесс сборки печатной платы?

Сборка печатной платы (Printed Circuit Board Assembly, PCBA) - это полный производственный процесс монтажа электронных компонентов на печатные платы. Эта сложная и точная процедура включает в себя множество критически важных этапов, в том числе печать паяльной пасты, размещение компонентов, пайку оплавлением, контроль качества и многое другое, что в конечном итоге превращает голые платы в полнофункциональные электронные узлы. Поскольку электронные изделия стремятся к миниатюризации и повышению производительности, современные процессы сборки печатных плат предъявляют все более жесткие требования к точности и надежности.

7 ключевых этапов процесса сборки печатной платы

1. Печать паяльной пасты: Первый шаг, требующий высокой точности

Печать паяльной пастой - это первичный и наиболее фундаментальный этап сборки печатных плат. В этом процессе, похожем на трафаретную печать, но требующем более высокой точности, используются трафареты из нержавеющей стали (обычно толщиной 0,1-0,15 мм).

Анализ состава паяльной пасты:
Современная бессвинцовая паяльная паста обычно состоит из:

• 96.5% Олово (Sn)
• 3% Серебро (Ag)
• 0,5% Медь (Cu)

Такое сочетание сплавов обеспечивает превосходные характеристики пайки и механическую прочность. Паста также содержит флюс, который удаляет оксидные слои с металлических поверхностей, снижает поверхностное натяжение припоя, способствует растеканию и смачиванию припоя.

Точный процесс печати:

1. Печатная плата закрепляется на столе принтера с помощью точных приспособлений
2. Точное выравнивание трафарета и площадок печатной платы (обычно контролируется в пределах допуска ±25 мкм)
3. Сквидж перемещается под соответствующим углом (обычно 60°) и под давлением (около 5-10 кг) для проталкивания паяльной пасты через отверстия в трафарете
4. При распаковке трафарет отделяется от печатной платы, оставляя пасту только на площадках

Точки контроля качества:

• Постоянство толщины паяльной пасты (измеряется лазерным толщиномером)
• Точность положения печати
• Отсутствие мостиков, недостаточного количества припоя или шипов

2. Размещение компонентов SMT: Высокоскоростная прецизионная система "Pick and Place"

После печати паяльной пастой печатная плата поступает на производственную линию технологии поверхностного монтажа (SMT), где высокоскоростные машины точно позиционируют компоненты.

Современная технология укладочных машин:

• Точность размещения: ±25 мкм (оборудование высокого класса может достигать ±15 мкм)
• Скорость укладки: 30 000-150 000 компонентов в час
• Минимальный размер компонентов: Можно использовать пакеты 01005 (0,4×0,2 мм) или меньше

Поток процесса размещения:

1. Система подачи: Компоненты подаются через ленту, трубки или лотки
2. Выравнивание с помощью зрения: Камеры высокого разрешения определяют фидуциальные метки печатной платы
3. Сбор компонентов: Вакуумные форсунки собирают компоненты из питателей
4. Проверка компонентов: Некоторые машины оснащены камерами для проверки полярности, размеров
5. Точное размещение: Компоненты размещаются на паяльной пасте в соответствии с запрограммированными координатами

Ключевые факторы влияния:

• Точность подачи компонентов
• Выбор и обслуживание форсунок
• Состояние калибровки станка
• Контроль окружающей среды (обычно 23±3°C, 40-60% RH)

3. Пайка оплавлением: Температурный профиль определяет качество припоя

Пайка оплавлением - это критический процесс, в ходе которого расплавляется паяльная паста для формирования надежных электрических соединений, требующий точного контроля температурного профиля.

Типичный профиль температуры расплавления:

1. Зона предварительного нагрева: Повышение со скоростью 1-3°C/с до 150-180°C (активирует флюс)
2. Зона замачивания: Поддерживайте температуру 140-180°C в течение 60-90 секунд (выравнивает температуру печатной платы/компонента)
3. Зона расплавления: Быстрый нагрев до пиковой температуры 235-245°C (удерживается в течение 30-60 секунд)
4. Зона охлаждения: Контролируемое охлаждение ниже 4°C/с (предотвращает тепловой удар)

Сравнение типов печей для растапливания:

• Конвекционная печь: Наилучшая однородность, подходит для сложных печатных плат
• Инфракрасная печь: Высокая эффективность нагрева, но может вызвать теневой эффект
• Парофазная печь: Отличная однородность, но более высокая стоимость, в основном для военной продукции

Специальная обработка двусторонних печатных плат:
Для двухсторонних печатных плат SMT обычно сначала паяют сторону с более легкими компонентами. Во время второй пайки убедитесь, что ранее припаянные компоненты выдерживают температуру.

4. Проверка качества: Многочисленные средства защиты обеспечивают надежность

После пайки печатные платы проходят строгий контроль качества, в том числе:

4.1 Визуальный осмотр вручную

• Области применения: Мелкосерийное производство, проверка повторной обработки
• Проверки: Отсутствующие/неправильные компоненты, неправильная полярность, явные дефекты пайки
• Ограничения: Низкая эффективность, подвержены усталости, видны только суставы

4.2 Автоматизированная оптическая инспекция (AOI)

• Принцип: Многоугольные камеры с высоким разрешением сравнивают с золотыми образцами
• Возможности: Объем припоя, перекрытие, смещение компонентов
• Преимущества: Быстрота (обычно 3-10 секунд на доску), последовательность
• Технические характеристики: Разрешение 20 мкм, коэффициент ложной тревоги <5%

4.3 Рентгеновский контроль (AXI)

• Области применения: BGA, QFN и другие скрытые соединения
• Возможности: Целостность шариков припоя, пустоты, выравнивание слоев
• Системы: 2D-рентген (дешевле), 3D-рентген (томография)

Статистический контроль процессов (SPC):
Современные заводы по производству PCBA передают данные о проверке в режиме реального времени, используя методы SPC для контроля стабильности процесса и предотвращения дефектов в партиях.

5. Сборка компонентов со сквозными отверстиями: Традиционная технология в современных приложениях

Несмотря на доминирующее положение SMT, многие печатные платы по-прежнему требуют компонентов, изготовленных по технологии сквозных отверстий (THT), особенно разъемов и мощных устройств.

Два основных метода пайки:

5.1 Пайка волной

• Процесс: Вставка→ фиксация клеем→ пайка волной→ очистка
• Типы волн: Одиночная волна (λ-волна), двойная волна (турбулентная+плоская)
• Температура: Паяльник поддерживается при температуре 250-260°C
• Области применения: Односторонние платы со смешанной технологией в больших объемах

5.2 Выборочная пайка

• Принцип: Локальная пайка для определенных сквозных отверстий
• Преимущества: Минимальное тепловое воздействие, идеально подходит для двусторонних плат
• Разновидности: Лазерная пайка, микроволны, паяльные роботы

Основы ручной пайки:

• Температурный контроль: 300-350°C в зависимости от размера компонентов
• Продолжительность: 2-3 секунды на сустав, чтобы избежать урона
• Объем припоя: Формируйте конические галтели под углом примерно 45°

6. Функциональное тестирование: Проверка соответствия конструкции

Функциональное тестирование - это финальная точка проверки качества, подтверждающая работоспособность продукта.

Общие методы испытаний:

6.1 Внутрисхемное тестирование (ICT)

• Использует приспособление "ложе из гвоздей" для контакта с контрольными точками
• Проверяет: Замыкания, обрывы, значения компонентов, основные функции
• Преимущества: Точная локализация неисправностей, быстрое тестирование

6.2 Функциональный тест цепи (FCT)

• Моделирует реальные условия эксплуатации
• Ввод тестовых сигналов, проверка выходных сигналов
• Возможность интеграции с автоматикой для тестирования 100%

6.3 Тест граничного сканирования

• Для высокоплотных, труднодоступных печатных плат
• Использует интерфейс JTAG
• Идеально подходит для программируемых устройств (FPGA, CPLD)

Анализ тестового покрытия:
Отличные планы испытаний должны охватывать >90% потенциальных режимов отказов, оптимизированных с помощью анализа режимов отказов и эффектов (FMEA).

7. Чистка и защита: Ключи к долговечности продукта

Высокие требования к надежности современной электроники делают очистку все более критичной.

Варианты процесса очистки:

7.1 Водная очистка

• Используется деионизированная вода (удельное сопротивление >1MΩ-см)
• Можно добавлять экологически чистые чистящие средства
• Подходит для большинства обычных электронных устройств

7.2 Очистка растворителем

• Использует спиртовые или углеводородные растворители
• Сильная очищающая способность, быстрое высыхание
• Требует соблюдения мер безопасности и охраны окружающей среды

7.3 Процесс без очистки

• Используется паяльная паста с низким содержанием остатков, не требующая очистки
• Должны по-прежнему соответствовать стандартам ионной чистоты (<1,56 мкг/см² в эквиваленте NaCl)

Конформное покрытие:
Для применения в жестких условиях:

• Акрил: Легкое нанесение и повторная обработка
• Полиуретан: отличная химическая стойкость
• Силикон: Превосходные высокотемпературные характеристики

Современные тенденции в области сборки печатных плат

Технология высокоплотного межсоединения (HDI)

• Более тонкие линии (<50 мкм)
• Технология микропроводов (глухие/заглубленные проходы)
• Взаимосвязь на любом уровне

Производство гибкой электроники

• Сборка гибкой подложки
• 3D монтаж на изогнутую поверхность
• Растягивающиеся электронные схемы

Трансформация умного производства

• Приложения для цифровых двойников
• Проверка качества с помощью искусственного интеллекта
• Адаптивные производственные системы

Требования к экологичному производству

• Несвинцовые материалы, не содержащие галогенов
• Энергоэффективные процессы
• Переработка отходов

Общие проблемы сборки печатных плат и их решения

Iii. Выводы и рекомендации

Сборка печатных плат - это важнейший производственный процесс, превращающий дизайн в физические изделия, объединяющий материаловедение, точную механику, автоматизацию и многое другое. По мере усложнения электроники современные процессы PCBA развиваются в направлении повышения точности, эффективности и интеллектуальности. Освоение всего рабочего процесса сборки и ключевых контрольных точек необходимо для обеспечения качества и производительности. Как при малосерийном, так и при массовом производстве выбор соответствующих технологических маршрутов и методов контроля качества в зависимости от характеристик продукции остается основополагающим.