Sestavljanje tiskanih vezij

PCBA je kratica za montažo tiskanih vezij (Printed Circuit Board Assembly), ki se nanaša na postopek spajkanja elektronskih komponent na tiskano vezje (PCB), da se tvori celoten sistem vezij. To je ključni korak pri izdelavi elektronskih izdelkov.

Predvsem tehnologija spajkanja skozi luknje (THT), tehnologija površinske montaže (SMT) in hibridna tehnologija. THT spajka komponente s priključki, vstavljenimi skozi luknje, SMT spajka komponente neposredno na površino tiskanega vezja, hibridna tehnologija pa združuje oboje.

Koraki vključujejo pripravo materiala, pregled tiskanih vezij, SMT (tiskanje spajkalne paste, namestitev komponent, spajkanje s ponovnim spajkanjem), THT (obdelava vodnikov, valovno spajkanje), varjenje, testiranje kakovosti, čiščenje in premazovanje ter končno montažo.

Povezuje diskretne komponente glede na zasnovo in omogoča funkcije, kot sta obdelava signalov in pretvorba energije. To je ključni korak za preoblikovanje zasnove v fizične izdelke.

Osnovni postopek je podoben, vendar se prilagaja glede na kompleksnost izdelka, vrste komponent, obseg proizvodnje itd. Na primer, pri izdelkih z visoko natančnostjo v majhnih serijah se lahko doda ročni pregled, medtem ko se množična proizvodnja osredotoča na avtomatizacijo.

THT je tehnologija spajkanja skozi luknje, kjer se komponente s priključki vstavijo v luknje za spajkanje. Prednosti: visoka mehanska trdnost, primerno za komponente z visokim tokom; Slabosti: velika zasedba prostora, nizka učinkovitost.

SMT je tehnologija površinske montaže s prednostmi visoke gostote montaže, majhne velikosti komponent, primernosti za avtomatizirano proizvodnjo, visoke učinkovitosti in nizkih stroškov.

Hibridna tehnologija se uporablja, kadar morajo izdelki izkoristiti tako visoko moč/mehansko trdnost THT kot visoko gostoto/majhno velikost SMT, na primer napajalni moduli z induktorji v skoznji luknji in površinsko montažnimi čipi.

Vplivajo stroški komponent, število/velikost plasti tiskanega vezja/kompleksnost postopka, težavnost sestavljanja, obseg proizvodnje, zahteve glede testiranja itd. Večje serije zmanjšujejo stroške na enoto, medtem ko kompleksni postopki povečujejo stroške.

Potrošniška elektronika: nizki stroški, visoka gostota, miniaturizacija; Industrijski nadzor: stabilnost, preprečevanje motenj; Medicinski pripomočki: visoka natančnost in zanesljivost, ki zahtevajo strogo skladnost s standardi.

Običajni materiali, kot sta FR-4 (dobre električne/mehanske lastnosti za splošne izdelke) in CEM-1 (nižji stroški, vendar slabša zmogljivost). Koeficient toplotnega raztezanja vpliva na zanesljivost spajkanja; velike razlike lahko povzročijo težave z napetostjo.

Izberite glede na kompleksnost vezja: dvoslojno za preprosta vezja, večslojno za kompleksna. Več slojev zagotavlja več prostora za usmerjanje, vendar višje stroške, s strožjimi zahtevami za poravnavo slojev.

Prevelike tiskane vezja presegajo omejitve opreme; premajhne povzročajo težave pri rokovanju/spajkanju, kar vpliva na postavitev komponent in odvajanje toplote.

Velikost, oblika in razmik med blazinicami neposredno vplivajo na kakovost spajkanja. Premajhne blazinice povzročajo suhe spoje; premajhen razmik pa vodi do premostitve kratkih stikov.

Izravnavanje spajkanja z vročim zrakom (HASL): nizki stroški, vendar slaba ravnost, kar vpliva na fino spajkanje; Breztokovno nikljevo potopitveno zlato (ENIG): dobra spajkljivost, visoka natančnost, visoki stroški; Organski konzervans za spajkljivost (OSP): ščiti baker, zmerni stroški, stroge zahteve glede skladiščenja.

Vizualni pregled (praske, deformacije), testiranje z letečo sondo/IKT (povezljivost), metalografska analiza (notranja struktura/prevleka).

Čiščenje za odstranitev nečistoč; tiskana vezja, obdelana z OSP, je treba peči, da se odstrani vlaga in prepreči nastanek mehurčkov pri spajkanju.

Datoteke za načrtovanje, kot je Gerber, določajo postavitev komponent in položaje ploščic, kar služi kot osnova za sestavljanje, da se zagotovi skladnost z zasnovo.

Komponent ni mogoče namestiti, električni kratki stiki/odprti tokokrogi, motnje signala, slabo odvajanje toplote, kar vodi do funkcionalnih okvar ali težav z delovanjem.

Razumna postavitev komponent (izogibajte se gostim/težko dostopnim območjem), optimizirana zasnova blazinic, združljivost SMT/THT, pozicioniranje lukenj in usmerjanje za izogibanje ostrim kotom in dolgim ​​​​sledem.

Upoštevajte električne lastnosti (ujemanje parametrov), združljivost ohišja s kontaktnimi blazinicami, zanesljivost, stroške in stabilnost napajanja.

Ohišja za skoznje luknje (npr. DIP) za THT, ki zasedajo veliko prostora; ohišja za površinsko montažo (npr. SOP/BGA) za SMT, visoka gostota, vendar večje težave s spajkanjem (npr. BGA zahteva natančen nadzor temperature).

Slaba spajkljivost povzroča suhe spoje in lažno spajkanje. Oksidirani/oljnati priključki potrebujejo predobdelavo (čiščenje, kositranje).

Spajkanje s ponovnim spajkanjem je primerno za SMT komponente; valovno spajkanje pa za SMT komponente, ki se skoznje spajajo, in velike SMT komponente. Specifikacije običajno navajajo združljive postopke.

Sistem »prvi noter, prvi ven« (FIFO), nadzorovana temperatura/vlažnost (20–25 ℃, 40 %–60 % relativne vlažnosti), redno vzorčenje in testiranje/odstranjevanje pretečenih/sumljivih komponent.

Nenormalno delovanje vezja (nepravilni parametri, okvara čipa), kratki stiki/preobremenitve ter poškodbe tiskanega vezja in drugih komponent.

Vizualni pregled (poškodbe, oksidacija svinca), testiranje električnih parametrov (multimeter/LCR merilnik) in funkcionalno testiranje kritičnih komponent (npr. preverjanje programiranja čipa).

Prekomerna toplotna obremenitev lahko povzroči razpoke v notranjih spajkanih spojih v čipih ali dielektrično preboj v kondenzatorjih, kar vodi do premika parametrov ali okvare. Nadzorovati je treba temperaturni profil in čas.

Polarizirani simboli (npr. kondenzator ±, puščice diode) so označeni na ploščicah tiskanega vezja. Ročna namestitev zahteva vizualno preverjanje; avtomatizirana oprema potrebuje programirane parametre polarnosti.

Zahteva nadzorovano temperaturo/vlažnost (±2 ℃, 40 %–60 % relativne vlažnosti) in zaščito pred elektrostatično razelektritvijo (antistatični pod, zapestni trakovi, delovna oblačila), da se preprečijo spremembe parametrov in poškodbe zaradi elektrostatične razelektritve.

Načelo: Tiskanje spajkalne paste → namestitev komponent → segrevanje za taljenje paste → hlajenje za spajkanje. Temperaturni profil: Predgrevanje (1–3 ℃/s na 150–180 ℃), namakanje (180–200 ℃, 60–120 s), ponovno taljenje (največ 217–235 ℃, 30–90 s), hlajenje (3–6 ℃/s).

Načelo: Tekoči spajkalnik tvori val, pri čemer se priključki tiskanega vezja spajkajo, ko prehajajo skoznje. Primerno za skoznje luknje in velike SMT komponente.

Uporaba: Izdelava prototipov, popravila in težko dostopna mesta za avtomatizacijo. Previdnostni ukrepi: Spajkalnik 20–60 W, spajkalna žica 0,5–1,0 mm, temperatura 300–350 ℃, čas 3–5 s, predhodno čiščenje in naknadni pregled.

Izberite glede na postopek: spajkalna pasta brez svinca (Sn-Ag-Cu, 217–227 ℃) za reflow; spajkalne palice s svincem/brez svinca (Sn-Pb, 183 ℃ za svinčene) za valovno spajkanje; spajkalna žica za ročno spajkanje, pri čemer upoštevajte omočljivost in stroške.

Nadzorujte procesne parametre (temperaturni profil, čas spajkanja), kalibrirajte opremo, usposabljajte osebje, uporabljajte usposobljene materiale, izvajajte AOI/rentgenski pregled in pravočasno odpravljajte napake.

Suhi spoj: Prilagodite temperaturo, podaljšajte čas, očistite površine; Kratki stik: Zmanjšajte količino spajke, optimizirajte zasnovo; Premostitev: Prilagodite količino paste, temperaturni profil; Nezadostna količina spajke: Povečajte količino paste, optimizirajte postopek; Grobo spajkanje: Dodajte talilo, prilagodite temperaturo.

Vloge: Odstranjevanje oksidov, zmanjšanje površinske napetosti, izboljšanje omočljivosti. Vrste: Anorganski (visoka aktivnost, korozivno, zahteva čiščenje), organski (zmerna aktivnost, nizka korozija, zahteva čiščenje), na osnovi kolofonije (običajni, nekorozivni, brez čiščenja). Izberite glede na postopek in izdelek.

Vrednost Tg določa toplotno odpornost substrata. Standardni FR-4 ima Tg ~130–140 ℃, medtem ko materiali z visoko Tg (≥170 ℃) prenesejo vrhove reflow 250 ℃, kar zmanjšuje tveganje delaminacije. Postopki brez svinca zahtevajo Tg ≥150 ℃.

Standardni SMT: 4/4 mil (0,1/0,1 mm); postopki HDI dosegajo 2/2 mil (0,05/0,05 mm) z visoko precizno osvetlitvijo in breztokovnim bakrenjem.

Sledite IPC-7351: širina QFP blazinice +0,1–0,2 mm glede na širino vodnika; blazinice 0603 priporočajo 0,65 × 0,65 mm za 0,04–0,06 mg spajkalne paste na blazinico.

Prevladujoči SAC305 (96,5Sn/3,0Ag/0,5Cu) se tali pri 217 ℃, kar je 34 ℃ več kot evtektik Sn-Pb (183 ℃), zato so potrebne višje temperature reflowa.

Komponente 0402: šablona 0,12 mm; korak 0,5 mm BGA: šablona 0,1 mm z 85 % odprtino spajkalne blazinice za preprečevanje spajkanja kroglic.

IPC-A-610: Odmik spajkalne paste ≤25 % širine blazinice; ≤0,1 mm za QFP z razmikom 0,4 mm.

Vrhunski stroji (npr. Fuji NXT) imajo Cpk ≥ 1,33, ponovljivost XY ± 25 μm, natančnost θ ± 0,5°, primerni za komponente 0201 in BGA z razmikom 0,3 mm.

Tlak namestitve MLCC: 0,3–0,5 N (nevarnost razpok pri višjih tlakih); QFP vodi: 0,8–1,2 N za koplanarnost.

Optimizirajte natančnost namestitve (±0,05 mm), zagotovite simetrično količino spajkalne paste, hitrost ponovnega taljenja ≤3 ℃/s za zmanjšanje temperaturnega gradienta.

Predgrevanje (150–180 ℃): pospeševanje 1–2 ℃/s; namakanje (180–210 ℃): 60–90 s; vrh ponovnega taljenja 245–255 ℃, ≥217 ℃ za 60–90 s; hlajenje 2–4 ℃/s.

Dušik (O₂

IPC-A-610 Razred 3: Prazna površina ≤10 % površine spajkalne kroglice; kritične aplikacije (npr. avtomobilska industrija) zahtevajo ≤5 %.

Dvovalovno spajkanje: Turbulentni val se potopi v 1/3-1/2 debeline tiskanega vezja; gladka višina vala je 0,5-1 mm pod dnom tiskanega vezja.

Talilo brez čiščenja: vsebnost trdnih snovi 10 %) izboljša omočljivost, vendar poveča tveganje za nastanek ostankov, kar zahteva ustrezno čiščenje.

Pri temperaturi spajkalne posode 245–255 ℃ je hitrost 1,2–1,8 m/min; debele bakrene tiskane vezja potrebujejo 1 m/min za polnjenje prehodov.

Spajkanje brez svinca: temperatura konice 350–380 ℃, čas stika ≤ 3 s. Prekomerna toplota povzroči dvigovanje blazinice ali oksidacijo svinca.

Optični sistemi za poravnavo (natančnost ±25 μm) z reballing napravami zagotavljajo odstopanje

Predgrejte na 150–180 ℃, temperatura ponovne obdelave 320–350 ℃, hitrost zraka 4–6 (20–30 l/min), da preprečite deformacijo svinca.

Vodna raztopina: okolju prijazna, vendar zahteva visoko temperaturo (60–80 ℃), tveganje korozije; Topilo (npr. NMP): učinkovito, vendar zahteva opremo, odporno proti eksploziji, omejitve HOS.

IPC-TM-650: Ionski ostanek 10⁹Ω.

Visokohitrostna AOI pokriva ≥95 % napak komponent 0402, >98 % za premostitve/manjkajoče vodnike QFP, vendar se spopada z notranjimi prazninami BGA.

Mikrofokusni rentgenski žarek doseže ločljivost 5 μm, zazna BGA spoje z razmikom 0,3 mm in notranjost 20-plastnih tiskanih vezij.

Visoko natančna IKT zazna odprtine pod 0,1 Ω, s kontaktno upornostjo med žeblji

IPC-J-STD-033: Komponente MSL stopnje 3 ≤168 ur pri 30 ℃/60 % relativne vlažnosti; pecite pri 125 ℃ 4–8 ur, če je presežena.

Spoji 0603: minimalna vlečna sila ≥1,5 N; QFP vodniki: strižna sila ≥5 N, v skladu z IPC-9701.

IPC-A-600: ≤1,5 ​​%; tiskana vezja, sestavljena z BGA, ≤0,7 % za preprečevanje suhih spojev.

Naprave CMOS imajo občutljivost HBM

Stroški materiala 40–50 %, predelava (vključno z amortizacijo) 30–40 %, pregled 10–20 %. Stroški na enoto so 30–50 % višji kot pri masovni proizvodnji.