Збірка друкованої плати

PCBA – це абревіатура від Printed Circuit Board Assembly (складання друкованої плати), що стосується процесу паяння електронних компонентів на друковану плату для формування повноцінної схеми. Це ключовий крок у виробництві електронних виробів.

В основному, технологія наскрізного монтажу (THT), технологія поверхневого монтажу (SMT) та гібридна технологія. THT припаює компоненти з виводами, вставленими через отвори, SMT припаює компоненти безпосередньо на поверхню друкованої плати, а гібридна технологія поєднує обидві.

Кроки включають підготовку матеріалів, перевірку друкованої плати, SMT (друк паяльною пастою, розміщення компонентів, паяння оплавленням), THT (обробка виводів, паяння хвилею паяння), зварювання, перевірку якості, очищення та покриття, а також остаточне складання.

Він з'єднує окремі компоненти відповідно до проекту, забезпечуючи такі функції, як обробка сигналів та перетворення енергії. Це ключовий крок для перетворення проекту на фізичні продукти.

Базовий процес схожий, але він коригується відповідно до складності продукту, типів компонентів, масштабу виробництва тощо. Наприклад, для високоточних виробів невеликих партій може бути додана ручна перевірка, тоді як масове виробництво зосереджено на автоматизації.

THT — це технологія наскрізного паяння, де компоненти з висновками вставляються в отвори для паяння. Переваги: ​​висока механічна міцність, підходить для компонентів з високим струмом; Недоліки: займаний великий простір, низька ефективність.

SMT - це технологія поверхневого монтажу, яка має переваги високої щільності складання, малого розміру компонентів, придатності для автоматизованого виробництва, високої ефективності та низької вартості.

Гібридна технологія використовується, коли продукти повинні використовувати як високу потужність/механічну міцність THT, так і високу щільність/малий розмір SMT, наприклад, силові модулі з індуктивністю наскрізного монтажу та мікросхемами для поверхневого монтажу.

Залежить від вартості компонентів, кількості/розміру шарів друкованої плати/складності процесу, складності складання, обсягу виробництва, вимог до тестування тощо. Більші партії знижують собівартість одиниці продукції, тоді як складні процеси збільшують витрати.

Побутова електроніка: низька вартість, висока щільність, мініатюризація; промислове керування: стабільність, захист від перешкод; медичні прилади: висока точність і надійність, що вимагає суворого дотримання стандартів.

Поширені матеріали, такі як FR-4 (хороші електричні/механічні властивості для загальних виробів) та CEM-1 (нижча вартість, але гірші характеристики). Коефіцієнт теплового розширення впливає на надійність паяного з'єднання; великі відмінності можуть спричинити проблеми з напругою.

Вибирайте залежно від складності схеми: двошарові для простих схем, багатошарові для складних. Більше шарів забезпечує більше місця для трасування, але вищі витрати, а також суворіші вимоги до вирівнювання шарів.

Завеликі друковані плати перевищують ліміти обладнання; замалі створюють труднощі з обробкою/паянням, впливаючи на розташування компонентів та розсіювання тепла.

Розмір, форма та відстань між контактними площадками безпосередньо впливають на якість паяння. Занадто маленькі контактні площадки призводять до сухих з'єднань; занадто близька відстань між ними призводить до коротких замикань.

Вирівнювання припою гарячим повітрям (HASL): низька вартість, але погана площинність, що впливає на дрібний крок паяння; Хімічне нікелеве занурення в золото (ENIG): хороша паяність, висока точність, висока вартість; Органічний консервант паяності (OSP): захищає мідь, помірна вартість, суворі вимоги до зберігання.

Візуальний огляд (подряпини, деформація), тестування літаючим зондом/ІКТ (зв'язність), металографічний аналіз (внутрішня структура/покриття).

Очищення для видалення домішок; друковані плати, оброблені OSP, потребують випалювання для видалення вологи та запобігання утворенню бульбашок паяння.

Файли проектування, такі як Gerber, визначають розташування компонентів та контактних площадок, слугуючи основою для складання для забезпечення відповідності проекту.

Компоненти не можуть бути встановлені, електричні короткі замикання/розриви, перешкоди сигналу, погане тепловідведення, що призводить до функціональних збоїв або проблем з продуктивністю.

Розумне розташування компонентів (уникайте щільних/важкодоступних місць), оптимізована конструкція контактних майданчиків, сумісність SMT/THT, розташування отворів та трасування для уникнення гострих кутів та довгих доріжок.

Враховуйте електричні характеристики (узгодження параметрів), сумісність корпусу з контактними площадками, надійність, вартість та стабільність живлення.

Корпуси для наскрізного монтажу (наприклад, DIP) для THT, що займають великий простір; корпуси для поверхневого монтажу (наприклад, SOP/BGA) для SMT, висока щільність, але вища складність паяння (наприклад, BGA вимагає точного контролю температури).

Погана паяність призводить до сухих з'єднань та помилкового паяння. Окислені/масляні виводи потребують попередньої обробки (очищення, лудіння).

Паяння оплавленням підходить для поверхневого монтажу (SMT); паяння хвилею паяння підходить для наскрізних отворів та великих SMT-компонентів. У специфікаціях зазвичай зазначено сумісні процеси.

Принцип «першим прийшов — першим вийшов» (FIFO), контрольована температура/вологість (20-25℃, 40%-60% відносної вологості), регулярний відбір проб та тестування/утилізація прострочених/підозрілих компонентів.

Ненормальне функціонування схеми (неправильні параметри, відмова мікросхеми), короткі замикання/перевантаження та пошкодження друкованої плати та інших компонентів.

Візуальний огляд (пошкодження, окислення свинцю), перевірка електричних параметрів (мультиметр/LCR-метр) та функціональне тестування критичних компонентів (наприклад, перевірка програмування мікросхеми).

Надмірне теплове напруження може спричинити розтріскування внутрішніх паяних з'єднань у мікросхемах або пробій діелектрика в конденсаторах, що призведе до дрейфу параметрів або виходу з ладу. Необхідно контролювати температурний профіль та час.

Поляризовані символи (наприклад, конденсатор ±, стрілки діода) позначені на контактних майданчиках друкованої плати. Ручне встановлення вимагає візуальної перевірки; автоматизоване обладнання потребує запрограмованих параметрів полярності.

Потрібна контрольована температура/вологість (±2℃, 40%-60% відносної вологості) та захист від електростатичної електрики (антистатичне покриття для підлоги, браслети, робочий одяг), щоб уникнути дрейфу параметрів та пошкодження внаслідок електростатичної електрики.

Принцип: Друк паяльної пасти → розміщення компонентів → нагрівання для розплавлення пасти → охолодження для припою. Температурний профіль: Попередній нагрів (1-3℃/с до 150-180℃), витримка (180-200℃, 60-120 с), паяння (пік 217-235℃, 30-90 с), охолодження (3-6℃/с).

Принцип: Рідкий припій утворює хвилю, і виводи друкованої плати припаюються під час проходження через неї. Підходить для наскрізних отворів та великих компонентів поверхневого монтажу.

Застосування: Прототипування, ремонт та важкодоступні місця для автоматизації. Застереження: Паяльник 20-60 Вт, припійний дріт 0,5-1,0 мм, температура 300-350 ℃, час 3-5 секунд, попереднє очищення та подальша перевірка.

Виберіть за процесом: паяльна паста без свинцю (Sn-Ag-Cu, 217-227℃) для паяння оплавленням; свинцеві/безсвинцеві припої (Sn-Pb, 183℃ для свинцевих) для хвилевої паяння; припійний дріт для ручного паяння, враховуючи змочуваність та вартість.

Контролювати параметри процесу (температурний профіль, час паяння), калібрувати обладнання, навчати персонал, використовувати кваліфіковані матеріали, проводити AOI/рентгенівський контроль та своєчасно виправляти дефекти.

Сухе з'єднання: відрегулюйте температуру, подовжте час, очистіть поверхні; Коротке замикання: зменшіть кількість припою, оптимізуйте конструкцію; Перемикання: відрегулюйте об'єм пасти, температурний профіль; Недостатньо припою: збільште кількість пасти, оптимізуйте процес; Грубе припій: додайте флюс, відрегулюйте температуру.

Ролі: Видалення оксидів, зменшення поверхневого натягу, покращення змочуваності. Типи: Неорганічні (високоактивні, корозійні, потребують очищення), органічні (помірна активність, низька корозія, потребують очищення), на основі каніфолі (звичайні, некорозійні, не потребують очищення). Вибирайте за процесом та продуктом

Значення Tg визначає термостійкість підкладки. Стандартний FR-4 має Tg ~130-140℃, тоді як матеріали з високим Tg (≥170℃) витримують піки паяння 250℃, зменшуючи ризик розшарування. Для безсвинцевих процесів потрібна Tg ≥150℃.

Стандартний SMT: 4/4 міл (0,1/0,1 мм); процеси HDI досягають 2/2 міл (0,05/0,05 мм) завдяки високоточній експозиції та хімічному міднінню.

Дотримуйтесь IPC-7351: ширина контактної площадки QFP +0,1-0,2 мм у порівнянні з шириною виводу; для контактних площадок 0603 рекомендується ширина 0,65×0,65 мм для 0,04-0,06 мг паяльної пасти на контактну площадку.

Домінантний SAC305 (96,5Sn/3,0Ag/0,5Cu) плавиться при 217℃, що на 34℃ вище, ніж евтектика Sn-Pb (183℃), що вимагає вищих температур паяння.

Компоненти 0402: трафарет 0,12 мм; крок 0,5 мм; BGA: трафарет 0,1 мм з 85% відкриттям контактних площадок для запобігання утворенню кульок припою.

IPC-A-610: Зміщення паяльної пасти ≤25% від ширини контактного майданчика; ≤0,1 мм для QFP з кроком 0,4 мм.

Високоякісні машини (наприклад, Fuji NXT) мають Cpk ≥ 1,33, повторюваність XY ± 25 мкм, точність θ ± 0,5°, підходять для компонентів 0201 та BGA з кроком 0,3 мм.

Тиск розміщення MLCC: 0,3-0,5 Н (ризик розтріскування за вищого тиску); виводи QFP: 0,8-1,2 Н для компланарності.

Оптимізуйте точність розміщення (±0,05 мм), забезпечте симетричний об'єм паяльної пасти, швидкість зміни температури паяння ≤3 ℃/с для мінімізації градієнта температури.

Попередній розігрів (150-180℃): ліміт нарощування 1-2℃/с; витримка (180-210℃): 60-90 с; пік оплавлення 245-255℃, ≥217℃ протягом 60-90 с; охолодження 2-4℃/с.

Азот (O₂

IPC-A-610 Клас 3: Площа порожнечі ≤10% площі кульки припою; для критичних застосувань (наприклад, автомобілебудування) потрібно ≤5%.

Двохвильове паяння: турбулентна хвиля занурюється на 1/3-1/2 товщини друкованої плати; висота гладкої хвилі на 0,5-1 мм нижче дна друкованої плати.

Флюс, що не потребує очищення: вміст твердих речовин 10%) покращує змочуваність, але збільшує ризик утворення залишків, що вимагає сумісного очищення.

При температурі паяльного резервуара 245-255℃ швидкість 1,2-1,8 м/хв; для товстих мідних друкованих плат потрібна швидкість 1 м/хв для заповнення перехідних отворів.

Паяння без свинцю: температура жала 350-380℃, час контакту ≤3 с. Надмірне нагрівання призводить до відшаровування контактної площадки або окислення свинцю.

Системи оптичного вирівнювання (точність ±25 мкм) з пристроями для реболлінгу забезпечують відхилення

Попередній розігрів 150-180℃, температура повторної обробки 320-350℃, швидкість повітряного потоку 4-6 (20-30 л/хв), щоб уникнути деформації свинця.

Водний: екологічно чистий, але вимагає високої температури (60-80℃), ризик корозії; Розчинник (наприклад, NMP): ефективний, але потребує вибухобезпечного обладнання, обмежень щодо летких органічних сполук.

IPC-TM-650: Іонний залишок 10⁹Ω.

Високошвидкісна AOI покриває ≥95% дефектів компонентів 0402, >98% для перемичок/відсутніх виводів QFP, але має проблеми з внутрішніми пустотами BGA.

Мікрофокусний рентгенівський сканер досягає роздільної здатності 5 мкм, виявляючи з'єднання BGA з кроком 0,3 мм та 20-шарові внутрішні елементи друкованих плат.

Високоточна ІКТ виявляє розриви нижче 0,1 Ом, з контактним опором між цвяхами

IPC-J-STD-033: Компоненти MSL рівня 3 ≤168 годин при 30℃/60% відносної вологості; випікати при 125℃ протягом 4-8 годин, якщо перевищено.

З'єднання 0603: мінімальне зусилля натягу ≥1,5 Н; виводи QFP: зсувне зусилля ≥5 Н, згідно з IPC-9701.

IPC-A-600: ≤1,5%; друковані плати, зібрані за допомогою BGA, ≤0,7% для запобігання сухим з'єднанням.

Пристрої CMOS мають чутливість HBM

Вартість матеріалів 40-50%, обробка (вкл. амортизацію) 30-40%, перевірка 10-20%. Вартість одиниці на 30-50% вища, ніж у масовому виробництві