تجميع لوحة الدوائر المطبوعة

PCBA هو اختصار لـ Printed Circuit Board Assembly، ويشير إلى عملية لحام المكونات الإلكترونية على لوحة الدوائر المطبوعة لتشكيل نظام دائرة متكامل. وهي خطوة أساسية في تصنيع المنتجات الإلكترونية.

تعتمد هذه التقنيات بشكل أساسي على تقنية التثبيت عبر الثقوب (THT)، وتقنية التثبيت السطحي (SMT)، والتقنية الهجينة. تقوم تقنية THT بلحام المكونات باستخدام أطراف يتم إدخالها عبر الثقوب، بينما تقوم تقنية SMT بلحام المكونات مباشرة على سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، أما التقنية الهجينة فتجمع بين التقنيتين.

تشمل الخطوات تحضير المواد، وفحص لوحة الدوائر المطبوعة، وتقنية التجميع السطحي (طباعة معجون اللحام، ووضع المكونات، ولحام إعادة التدفق)، وتقنية التجميع الحراري (معالجة الرصاص، ولحام الموجة)، واللحام، واختبار الجودة، والتنظيف والطلاء، والتجميع النهائي.

يربط هذا النظام المكونات المنفصلة وفقًا للتصميم، مما يتيح وظائف مثل معالجة الإشارات وتحويل الطاقة. وهو الخطوة الأساسية لتحويل التصميم إلى منتجات مادية.

العملية الأساسية متشابهة، ولكن يتم تعديلها وفقًا لتعقيد المنتج وأنواع المكونات وحجم الإنتاج وما إلى ذلك. على سبيل المثال، قد تضيف المنتجات عالية الدقة ذات الدفعات الصغيرة فحصًا يدويًا، بينما يركز الإنتاج الضخم على الأتمتة.

تقنية THT هي تقنية التوصيل عبر الثقوب، حيث يتم إدخال المكونات ذات الأطراف في ثقوب للحام. مزاياها: قوة ميكانيكية عالية، مناسبة للمكونات ذات التيار العالي؛ عيوبها: تشغل مساحة كبيرة، وكفاءة منخفضة.

SMT هي تقنية التجميع السطحي، وتتميز بمزايا مثل كثافة التجميع العالية، وصغر حجم المكونات، وملاءمتها للإنتاج الآلي، وكفاءتها العالية، وتكلفتها المنخفضة.

تُستخدم التقنية الهجينة عندما تحتاج المنتجات إلى الاستفادة من كل من القوة العالية/القوة الميكانيكية لتقنية THT والكثافة العالية/الحجم الصغير لتقنية SMT، مثل وحدات الطاقة التي تحتوي على كل من المحاثات ذات الثقوب والرقائق المثبتة على السطح.

تتأثر التكاليف بتكاليف المكونات، وعدد طبقات لوحة الدوائر المطبوعة/حجمها/تعقيد العملية، وصعوبة التجميع، وحجم الإنتاج، ومتطلبات الاختبار، وما إلى ذلك. تؤدي الدفعات الأكبر إلى تقليل تكاليف الوحدة، بينما تزيد العمليات المعقدة من التكاليف.

الإلكترونيات الاستهلاكية: منخفضة التكلفة، عالية الكثافة، قابلة للتصغير؛ التحكم الصناعي: الاستقرار، مقاومة التداخل؛ الأجهزة الطبية: دقة وموثوقية عاليتان، تتطلب امتثالًا صارمًا للمعايير.

تُستخدم مواد شائعة مثل FR-4 (ذات خصائص كهربائية وميكانيكية جيدة للمنتجات العامة) وCEM-1 (أقل تكلفة ولكن أداءها أقل جودة). يؤثر معامل التمدد الحراري على موثوقية وصلات اللحام؛ وقد تؤدي الاختلافات الكبيرة إلى مشاكل إجهاد.

اختر بناءً على مدى تعقيد الدائرة: طبقتان للدوائر البسيطة، وطبقات متعددة للدوائر المعقدة. توفر الطبقات الإضافية مساحة أكبر للتوجيه، ولكنها تزيد التكلفة، مع متطلبات أكثر صرامة لمحاذاة الطبقات.

تتجاوز لوحات الدوائر المطبوعة كبيرة الحجم حدود المعدات؛ أما اللوحات صغيرة الحجم فتسبب صعوبات في التعامل معها ولحامها، مما يؤثر على تخطيط المكونات وتبديد الحرارة.

يؤثر حجم وشكل وتباعد نقاط التوصيل بشكل مباشر على جودة اللحام. فصغر حجم نقاط التوصيل يؤدي إلى لحامات جافة، بينما يؤدي تقاربها الشديد إلى حدوث دوائر قصر.

تسوية اللحام بالهواء الساخن (HASL): منخفضة التكلفة ولكنها ذات استواء ضعيف، مما يؤثر على اللحام ذي الخطوة الدقيقة؛ طلاء الذهب بالنيكل غير الكهربائي (ENIG): قابلية لحام جيدة، دقة عالية، تكلفة عالية؛ مادة حافظة عضوية لقابلية اللحام (OSP): تحمي النحاس، تكلفة معتدلة، متطلبات تخزين صارمة.

الفحص البصري (الخدوش، التشوه)، اختبار المسبار الطائر/اختبار ICT (الاتصال)، التحليل المعدني (البنية الداخلية/الطلاء).

التنظيف لإزالة الشوائب؛ تحتاج لوحات الدوائر المطبوعة المعالجة بتقنية OSP إلى الخبز لإزالة الرطوبة ومنع فقاعات اللحام.

تحدد ملفات التصميم مثل Gerber تخطيط المكونات ومواقع الوسادات، وتعمل كأساس للتجميع لضمان الامتثال للتصميم.

لا يمكن تركيب المكونات، حدوث دوائر قصر كهربائية/دوائر مفتوحة، تداخل الإشارة، ضعف تبديد الحرارة، مما يؤدي إلى أعطال وظيفية أو مشاكل في الأداء.

تصميم معقول للمكونات (تجنب المناطق الكثيفة/التي يصعب الوصول إليها)، تصميم وسادة محسّن، توافق SMT/THT، فتحات تحديد المواقع، وتوجيه لتجنب الزوايا الحادة والمسارات الطويلة.

ضع في اعتبارك الأداء الكهربائي (مطابقة المعلمات)، وتوافق العبوة مع الوسادات، والموثوقية، والتكلفة، واستقرار الإمداد.

حزم ذات ثقوب (مثل DIP) لتقنية THT، تشغل مساحة كبيرة؛ حزم تركيب سطحي (مثل SOP/BGA) لتقنية SMT، كثافة عالية ولكن صعوبة لحام أعلى (مثل BGA تتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة).

يؤدي ضعف قابلية اللحام إلى وصلات جافة ولحام خاطئ. تحتاج الأطراف المؤكسدة/الزيتية إلى معالجة مسبقة (تنظيف، طلاء بالقصدير).

تُناسب عملية اللحام بالتدفق مكونات SMT؛ بينما تُناسب عملية اللحام الموجي مكونات SMT ذات الثقوب المارة والمكونات الكبيرة. وعادةً ما تُحدد المواصفات العمليات المتوافقة.

نظام "الأول في الأول خارج" (FIFO)، والتحكم في درجة الحرارة/الرطوبة (20-25 درجة مئوية، 40%-60% رطوبة نسبية)، وأخذ العينات بانتظام، واختبار/إتلاف المكونات منتهية الصلاحية/المشتبه بها.

خلل في وظيفة الدائرة (معلمات غير صحيحة، عطل في الشريحة)، دوائر قصر/أحمال زائدة، وتلف في لوحة الدوائر المطبوعة والمكونات الأخرى.

الفحص البصري (التلف، أكسدة الرصاص)، واختبار المعلمات الكهربائية (مقياس متعدد / مقياس LCR)، والاختبار الوظيفي للمكونات الحرجة (مثل التحقق من برمجة الشريحة).

قد يؤدي الإجهاد الحراري المفرط إلى تشقق وصلات اللحام الداخلية في الرقائق الإلكترونية أو انهيار العازل في المكثفات، مما يؤدي إلى انحراف المعلمات أو تعطلها. لذا، يجب التحكم في درجة الحرارة والوقت.

تُوضع رموز الاستقطاب (مثل المكثف ±، أسهم الثنائي) على نقاط توصيل لوحة الدوائر المطبوعة. يتطلب التركيب اليدوي التحقق البصري؛ أما المعدات الآلية فتحتاج إلى معلمات قطبية مُبرمجة.

يتطلب التحكم في درجة الحرارة/الرطوبة (±2 درجة مئوية، 40%-60% رطوبة نسبية) والحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (أرضيات مضادة للكهرباء الساكنة، وأحزمة معصم، وملابس عمل) لتجنب انحراف المعلمات وتلف التفريغ الكهروستاتيكي.

المبدأ: طباعة معجون اللحام ← وضع المكونات ← التسخين لإذابة المعجون ← التبريد للحام. مخطط درجة الحرارة: التسخين المسبق (1-3 درجة مئوية/ثانية إلى 150-180 درجة مئوية)، التثبيت (180-200 درجة مئوية، 60-120 ثانية)، إعادة التدفق (ذروة 217-235 درجة مئوية، 30-90 ثانية)، التبريد (3-6 درجة مئوية/ثانية).

المبدأ: يشكّل اللحام السائل موجة، ويتم لحام أطراف لوحة الدوائر المطبوعة عند مرورها عبرها. مناسب للمكونات ذات الثقوب المارة ومكونات SMT الكبيرة.

التطبيقات: النماذج الأولية، والإصلاح، والمناطق التي يصعب الوصول إليها لأغراض الأتمتة. الاحتياطات: مكواة لحام بقدرة 20-60 واط، سلك لحام بقطر 0.5-1.0 مم، درجة حرارة 300-350 درجة مئوية، مدة 3-5 ثوانٍ، تنظيف مسبق، وفحص لاحق.

اختر حسب العملية: معجون لحام خالٍ من الرصاص (Sn-Ag-Cu، 217-227 درجة مئوية) لإعادة التدفق؛ قضبان لحام تحتوي على الرصاص/خالية من الرصاص (Sn-Pb، 183 درجة مئوية للحام المحتوي على الرصاص) للحام الموجي؛ سلك لحام للحام اليدوي، مع مراعاة قابلية التبلل والتكلفة.

التحكم في معايير العملية (ملف تعريف درجة الحرارة، وقت اللحام)، ومعايرة المعدات، وتدريب الموظفين، واستخدام مواد مؤهلة، والفحص البصري الآلي/الأشعة السينية، وإعادة العمل على العيوب في الوقت المناسب.

وصلة جافة: اضبط درجة الحرارة، وقم بتمديد الوقت، ونظف الأسطح؛ دارة قصر: قلل كمية اللحام، وحسّن التصميم؛ جسر: اضبط حجم المعجون، وملف درجة الحرارة؛ لحام غير كافٍ: زد كمية المعجون، وحسّن العملية؛ لحام خشن: أضف مادة مساعدة على اللحام، واضبط درجة الحرارة.

الوظائف: إزالة الأكاسيد، تقليل التوتر السطحي، تحسين قابلية التبلل. الأنواع: غير عضوية (فعالية عالية، أكالة، تتطلب التنظيف)، عضوية (فعالية متوسطة، تآكل منخفض، تتطلب التنظيف)، أساسها الصمغ (شائعة، غير أكالة، لا تحتاج إلى تنظيف). اختر حسب العملية والمنتج.

تحدد قيمة Tg مقاومة الركيزة للحرارة. يتميز معيار FR-4 بقيمة Tg تتراوح بين 130 و140 درجة مئوية، بينما تتحمل المواد ذات قيمة Tg العالية (≥170 درجة مئوية) ذروة إعادة التدفق التي تصل إلى 250 درجة مئوية، مما يقلل من خطر الانفصال الطبقي. تتطلب العمليات الخالية من الرصاص قيمة Tg ≥150 درجة مئوية.

SMT القياسي: 4/4 ميل (0.1/0.1 مم)؛ تحقق عمليات HDI 2/2 ميل (0.05/0.05 مم) مع تعريض عالي الدقة وطلاء نحاسي بدون كهرباء.

اتبع IPC-7351: عرض وسادة QFP +0.1-0.2 مم مقابل عرض الرصاص؛ توصي وسادات 0603 بـ 0.65 × 0.65 مم لـ 0.04-0.06 ملغ من معجون اللحام لكل وسادة.

ينصهر SAC305 السائد (96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu) عند 217 درجة مئوية، أي أعلى بمقدار 34 درجة مئوية من اليوتكتيك Sn-Pb (183 درجة مئوية)، مما يتطلب درجات حرارة إعادة تدفق أعلى.

مكونات 0402: استنسل 0.12 مم؛ BGA بمسافة 0.5 مم: استنسل 0.1 مم مع فتحة وسادة بنسبة 85٪ لمنع كرات اللحام.

IPC-A-610: إزاحة معجون اللحام ≤25% من عرض الوسادة؛ ≤0.1 مم لـ QFP بمسافة 0.4 مم.

تتميز الآلات المتطورة (مثل Fuji NXT) بـ Cpk≥1.33، وتكرار XY ±25 ميكرومتر، ودقة θ ±0.5 درجة، وهي مناسبة لمكونات 0201 وBGA ذات خطوة 0.3 مم.

ضغط وضع المكثف متعدد الطبقات: 0.3-0.5 نيوتن (خطر التصدع عند الضغوط العالية)؛ أسلاك QFP: 0.8-1.2 نيوتن من أجل التسطح.

تحسين دقة وضع المعجون (±0.05 مم)، وضمان حجم معجون اللحام المتماثل، ومعدل إعادة التدفق ≤3 درجة مئوية/ثانية لتقليل تدرج درجة الحرارة.

التسخين المسبق (150-180 درجة مئوية): زيادة تدريجية بمقدار 1-2 درجة مئوية/ثانية؛ النقع (180-210 درجة مئوية): 60-90 ثانية؛ ذروة إعادة التدفق 245-255 درجة مئوية، ≥217 درجة مئوية لمدة 60-90 ثانية؛ التبريد بمعدل 2-4 درجة مئوية/ثانية.

يقلل النيتروجين (O₂

IPC-A-610 الفئة 3: مساحة الفراغ ≤10% من مساحة كرة اللحام؛ التطبيقات الحرجة (مثل السيارات) تتطلب ≤5%.

اللحام ذو الموجة المزدوجة: تغمر الموجة المضطربة من 1/3 إلى 1/2 سمك لوحة الدوائر المطبوعة؛ ارتفاع الموجة السلسة من 0.5 إلى 1 مم أسفل الجزء السفلي من لوحة الدوائر المطبوعة.

التدفق الذي لا يحتاج إلى تنظيف: المحتوى الصلب 10%) يحسن قابلية التبلل ولكنه يزيد من خطر البقايا، مما يتطلب تنظيفًا متوافقًا.

عند درجة حرارة وعاء اللحام 245-255 درجة مئوية، تكون السرعة 1.2-1.8 متر/دقيقة؛ تتطلب لوحات الدوائر المطبوعة النحاسية السميكة سرعة 1 متر/دقيقة لملء الفتحات.

اللحام الخالي من الرصاص: درجة حرارة رأس اللحام 350-380 درجة مئوية، زمن التلامس ≤3 ثوانٍ. الحرارة الزائدة تؤدي إلى انفصال نقاط التلامس أو أكسدة الرصاص.

تضمن أنظمة المحاذاة البصرية (بدقة ±25 ميكرومتر) مع تجهيزات إعادة التشكيل انحرافًا أقل من 0.1 مم بين كرات اللحام والوسادات.

التسخين المسبق 150-180 درجة مئوية، درجة حرارة إعادة العمل 320-350 درجة مئوية، سرعة الهواء 4-6 (20-30 لتر/دقيقة) لتجنب تشوه الرصاص.

المحلول المائي: صديق للبيئة ولكنه يتطلب درجة حرارة عالية (60-80 درجة مئوية)، خطر التآكل؛ المذيب (مثل NMP): فعال ولكنه يحتاج إلى معدات مقاومة للانفجار، قيود على المركبات العضوية المتطايرة.

IPC-TM-650: البقايا الأيونية 10⁹ أوم.

تغطي تقنية الفحص البصري الآلي عالي السرعة ≥95% من عيوب مكونات 0402، و ＞98% بالنسبة لتوصيلات QFP / الأطراف المفقودة، لكنها تواجه صعوبة في التعامل مع الفراغات الداخلية لـ BGA.

يحقق التصوير بالأشعة السينية ذو التركيز الدقيق دقة 5 ميكرومتر، ويكشف عن وصلات BGA ذات مسافة 0.3 مم والأجزاء الداخلية للوحات الدوائر المطبوعة ذات 20 طبقة.

يكشف نظام ICT عالي الدقة عن الفتحات التي تقل عن 0.1 أوم، مع مقاومة تلامس سرير المسامير

IPC-J-STD-033: مكونات مستوى MSL 3 ≤168 ساعة عند 30 درجة مئوية / 60٪ رطوبة نسبية؛ اخبز عند 125 درجة مئوية لمدة 4-8 ساعات إذا تم تجاوزها.

وصلات 0603: الحد الأدنى لقوة السحب ≥1.5 نيوتن؛ أسلاك QFP: قوة القص ≥5 نيوتن، وفقًا لـ IPC-9701.

IPC-A-600: ≤1.5%؛ لوحات الدوائر المطبوعة المجمعة بتقنية BGA ≤0.7% لمنع الوصلات الجافة.

تتمتع أجهزة CMOS بحساسية HBM أقل من 2000 فولت. يجب أن تحافظ بيئات الإنتاج على جهد ثابت أقل من 100 فولت باستخدام أحزمة المعصم وأجهزة التأيين.

تكلفة المواد 40-50%، تكلفة المعالجة (بما في ذلك الاستهلاك) 30-40%، تكلفة الفحص 10-20%. تكلفة الوحدة أعلى بنسبة 30-50% من تكلفة الإنتاج بالجملة.