Η τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης οδηγεί την ανάπτυξη μικρογραφημένων ηλεκτρονικών

Καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές συνεχίζουν να συρρικνώνονται σε μέγεθος ενώ αυξάνουν την απόδοσή τους, η διάταξη των εξαρτημάτων σε πλακέτες κυκλωμάτων αντιμετωπίζει πρωτοφανείς προκλήσεις. Αναρωτηθήκατε ποτέ πώς αυτά τα πυκνά συσκευασμένα, μικροσκοπικά εξαρτήματα στερεώνονται με ακρίβεια σε πλακέτες κυκλωμάτων; Η απάντηση βρίσκεται σε μια εξελιγμένη διαδικασία που ονομάζεται Surface-Mount Technology (SMT). Αυτή η μέθοδος δεν είναι μόνο ο ακρογωνιαίος λίθος της σύγχρονης κατασκευής ηλεκτρονικών, αλλά και μια κινητήρια δύναμη πίσω από τη συνεχή σμίκρυνση, τον ελαφρύ σχεδιασμό και την ενισχυμένη απόδοση των ηλεκτρονικών προϊόντων.

Η Surface-Mount Technology (SMT), αρχικά γνωστή ως planar mounting, είναι μια μέθοδος άμεσης προσάρτησης ηλεκτρονικών εξαρτημάτων στην επιφάνεια των τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB). Τα εξαρτήματα που εγκαθίστανται με αυτόν τον τρόπο ονομάζονται surface-mount devices (SMDs). Στη σύγχρονη κατασκευή ηλεκτρονικών, η SMT έχει σε μεγάλο βαθμό αντικαταστήσει την παραδοσιακή τεχνολογία through-hole λόγω της ικανότητάς της να επιτρέπει την εξαιρετικά αυτοματοποιημένη παραγωγή, μειώνοντας το κόστος, ενώ βελτιώνει την ποιότητα του προϊόντος. Επιπλέον, η SMT επιτρέπει την τοποθέτηση περισσότερων εξαρτημάτων σε μια δεδομένη περιοχή υποστρώματος.

Ωστόσο, η τεχνολογία through-hole δεν έχει εξαφανιστεί εντελώς. Ορισμένα εξαρτήματα ακατάλληλα για επιφανειακή τοποθέτηση, όπως μεγάλα μετασχηματιστές και ημιαγωγοί ισχύος με ψύκτρες, εξακολουθούν να χρησιμοποιούν through-hole mounting. Είναι σύνηθες να βλέπουμε τόσο την τεχνολογία SMT όσο και την τεχνολογία through-hole να χρησιμοποιούνται στην ίδια πλακέτα κυκλώματος.

Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά εξαρτήματα through-hole, τα εξαρτήματα SMT είναι συνήθως μικρότερα, με μειωμένους ή καθόλου ακροδέκτες. Τα εξαρτήματα SMT μπορεί να διαθέτουν διάφορους τύπους κοντών ακίδων, επίπεδες επαφές, ball grid arrays (BGAs) ή ακροδέκτες που βρίσκονται στο σώμα του εξαρτήματος.

Η SMT προέκυψε τη δεκαετία του 1960, αλλά δεν έφτασε το 10% του μεριδίου αγοράς μέχρι το 1986. Από εκείνο το σημείο, η υιοθέτηση επιταχύνθηκε γρήγορα. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, η συντριπτική πλειοψηφία των ηλεκτρονικών PCB υψηλής τεχνολογίας χρησιμοποιούσε surface-mount devices. Η IBM έπαιξε πρωτοποριακό ρόλο στην ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας, αποδεικνύοντας για πρώτη φορά την προσέγγιση σχεδιασμού το 1960 σε έναν μικρό υπολογιστή, εφαρμόζοντάς την αργότερα στον Launch Vehicle Digital Computer που χρησιμοποιήθηκε στους πυραύλους Saturn IB και Saturn V για καθοδήγηση καθ' όλη τη διάρκεια της πτήσης.

Διάφοροι όροι χρησιμοποιούνται στην κατασκευή SMT για την περιγραφή εξαρτημάτων, τεχνικών και μηχανημάτων:

Τα PCB διαθέτουν επίπεδα, τυπικά επιχρυσωμένα με κασσίτερο-μόλυβδο, ασήμι ή χρυσό χάλκινα pads χωρίς τρύπες στις θέσεις τοποθέτησης εξαρτημάτων. Η διαδικασία ξεκινά με την εφαρμογή πάστας συγκόλλησης (ένα κολλώδες μείγμα ροής και μικροσκοπικών σωματιδίων συγκόλλησης) σε όλα τα pads χρησιμοποιώντας ένα χαλύβδινο ή νικέλιο stencil μέσω εκτύπωσης οθόνης. Εναλλακτικά, μηχανές εκτύπωσης jet παρόμοιες με εκτυπωτές inkjet μπορούν να εναποθέσουν πάστα συγκόλλησης.

Μετά την εφαρμογή της πάστας, η πλακέτα μετακινείται σε μια μηχανή pick-and-place όπου τα εξαρτήματα - συνήθως παρέχονται σε χάρτινα/πλαστικά καρούλια ταινιών, πλαστικούς σωλήνες ή αντιστατικούς δίσκους για μεγάλα IC - τοποθετούνται με ακρίβεια. Οι μηχανές με αριθμητικό έλεγχο ανακτούν εξαρτήματα από τροφοδότες και τα τοποθετούν στο PCB.

Στη συνέχεια, η πλακέτα εισέρχεται σε έναν φούρνο επαναροής, περνώντας πρώτα από μια ζώνη προθέρμανσης για σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας ομοιόμορφα και αποφυγή θερμικού σοκ. Στην επόμενη ζώνη, οι θερμοκρασίες γίνονται αρκετά υψηλές για να λιώσουν τα σωματίδια συγκόλλησης, συνδέοντας τους ακροδέκτες των εξαρτημάτων με τα pads του PCB. Η επιφανειακή τάση της λιωμένης συγκόλλησης βοηθά στην ευθυγράμμιση των εξαρτημάτων σωστά εάν η γεωμετρία του pad είναι σωστά σχεδιασμένη.

Οι μέθοδοι επαναροής περιλαμβάνουν υπέρυθρες λάμπες (υπέρυθρη επαναροή), μεταφορά θερμού αερίου και επαναροή ατμών χρησιμοποιώντας ειδικά υγρά φθοράνθρακα υψηλού σημείου βρασμού. Η τελευταία ανέκτησε δημοτικότητα με τους κανονισμούς χωρίς μόλυβδο που απαιτούν αυστηρότερο έλεγχο της διαδικασίας. Από το 2008, η συγκόλληση με μεταφορά χρησιμοποιώντας τυπικό αέρα ή άζωτο ήταν η πιο διαδεδομένη.

Για πλακέτες διπλής όψης, η διαδικασία εκτύπωσης, τοποθέτησης και επαναροής επαναλαμβάνεται χρησιμοποιώντας είτε πάστα συγκόλλησης είτε συγκολλητικό. Η συγκόλληση με κύμα απαιτεί συγκολλητικό για την αποφυγή μετατόπισης εξαρτημάτων κατά την τήξη της πάστας συγκόλλησης.

Μετά τη συγκόλληση, οι πλακέτες ενδέχεται να υποβληθούν σε καθαρισμό για την απομάκρυνση των υπολειμμάτων ροής και των περιπλανώμενων σφαιριδίων συγκόλλησης που θα μπορούσαν να προκαλέσουν βραχυκυκλώματα. Η ροή ρητίνης απαιτεί φθοράνθρακα, υδρογονάνθρακα υψηλού σημείου ανάφλεξης ή διαλύτες χαμηλού σημείου ανάφλεξης (όπως το λιμονένιο που προέρχεται από εσπεριδοειδή), ενώ η υδατοδιαλυτή ροή χρειάζεται απιονισμένο νερό και απορρυπαντικό, ακολουθούμενο από ταχεία ξήρανση. Ωστόσο, οι περισσότερες συναρμολογήσεις χρησιμοποιούν πλέον διαδικασίες «χωρίς καθαρισμό» όπου παραμένουν τα καλοήθη υπολείμματα ροής, εξοικονομώντας κόστος και επιταχύνοντας την παραγωγή. Ο καθαρισμός παραμένει σκόπιμος για εφαρμογές υψηλής συχνότητας (πάνω από 1 GHz) ή για τη βελτίωση της πρόσφυσης της επίστρωσης.

Οι τάσεις του κλάδου συνιστούν προσεκτική αξιολόγηση των διαδικασιών χωρίς καθαρισμό, καθώς τα παγιδευμένα υπολείμματα κάτω από εξαρτήματα ή ασπίδες μπορεί να επηρεάσουν την αντίσταση μόνωσης επιφάνειας (SIR), ειδικά σε πλακέτες υψηλής πυκνότητας.

Ορισμένα πρότυπα (όπως το IPC) επιβάλλουν τον καθαρισμό ανεξάρτητα από τον τύπο της ροής συγκόλλησης για να διασφαλιστεί η πλήρης καθαριότητα της πλακέτας. Ενώ είναι αποδεκτά, τα λευκά υπολείμματα πρέπει να τεκμηριώνονται ως καλοήθη. Δεν ακολουθούν όλοι οι κατασκευαστές τα πρότυπα IPC, ιδιαίτερα για προϊόντα ευαίσθητα στο κόστος.

Η τελική οπτική επιθεώρηση ελέγχει για ελλείποντα/μη ευθυγραμμισμένα εξαρτήματα και γέφυρες συγκόλλησης, με σταθμούς επανεπεξεργασίας να διορθώνουν τα σφάλματα. Στη συνέχεια, οι πλακέτες προχωρούν σε δοκιμές (εντός κυκλώματος ή/και λειτουργικές) για να επαληθεύσουν τη σωστή λειτουργία. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα οπτικής επιθεώρησης (AOI) έχουν αποδειχθεί πολύτιμα για τη βελτίωση της ποιότητας.

• Ταχύτερη αυτοματοποιημένη συναρμολόγηση: Ορισμένες μηχανές τοποθέτησης υπερβαίνουν τα 136.000 εξαρτήματα ανά ώρα
• Υψηλότερη πυκνότητα εξαρτημάτων: Περισσότερα εξαρτήματα ανά μονάδα επιφάνειας με αυξημένη συνδεσιμότητα
• Τοποθέτηση διπλής όψης: Τα εξαρτήματα μπορούν να κατοικήσουν και στις δύο πλευρές της πλακέτας
• Αυξημένη πυκνότητα σύνδεσης: Η απουσία οπών επιτρέπει περισσότερο χώρο δρομολόγησης στα εσωτερικά/πίσω στρώματα
• Αυτο-ευθυγράμμιση: Η επιφανειακή τάση της λιωμένης συγκόλλησης διορθώνει μικρά σφάλματα τοποθέτησης
• Βελτιωμένη μηχανική απόδοση: Καλύτερη αντοχή σε κραδασμούς/δονήσεις λόγω μειωμένης μάζας και φαινομένων cantilever
• Χαμηλότερη αντίσταση/επαγωγή: Μειωμένα ανεπιθύμητα φαινόμενα RF και πιο προβλέψιμη συμπεριφορά υψηλής συχνότητας
• Βελτιωμένη απόδοση EMC: Μικρότεροι βρόχοι ακτινοβολίας και επαγωγή μολύβδου ελαχιστοποιούν τις εκπομπές
• Λιγότερες τρυπημένες οπές: Μειώνει τις χρονοβόρες και δαπανηρές εργασίες διάτρησης
• Χαμηλότερο κόστος παραγωγής: Μειωμένο αρχικό κόστος εγκατάστασης και έξοδα εξαρτημάτων για κατασκευή μεγάλου όγκου
• Μικρότερα εξαρτήματα: Τα εξαρτήματα SMT είναι γενικά πιο συμπαγή από τα αντίστοιχα through-hole

• Ακατάλληλο για συνδέσεις υψηλής καταπόνησης: Τα εξαρτήματα που υφίστανται συχνή μηχανική καταπόνηση (όπως οι συχνά συνδεδεμένοι σύνδεσμοι) μπορεί να απαιτούν πρόσθετες μεθόδους τοποθέτησης
• Κίνδυνοι ένωσης γλάστρας: Η θερμική κυκλοφορία των ενθυλακωτικών μπορεί να καταστρέψει τις αρθρώσεις συγκόλλησης SMD
• Δυσκολίες χειροκίνητου χειρισμού: Η δημιουργία πρωτοτύπων και η επισκευή απαιτούν εξειδικευμένους χειριστές και εξειδικευμένα εργαλεία λόγω των μικροσκοπικών εξαρτημάτων και του λεπτού βήματος
• Ασυμβατότητα υποδοχής: Πολλά πακέτα SMD δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν υποδοχές για εύκολη αντικατάσταση/τροποποίηση
• Περιορισμοί breadboard: Τα SMDs δεν λειτουργούν απευθείας με breadboards plug-in, απαιτώντας προσαρμοσμένα PCB ή φορείς προσαρμογέα
• Ανησυχίες αξιοπιστίας: Οι εξελίξεις εξαιρετικά λεπτού βήματος δημιουργούν μικρότερες αρθρώσεις συγκόλλησης με πιθανά ζητήματα ακυρώσεων
• Προκλήσεις αναγνώρισης: Οι μικρότερες περιοχές σήμανσης καθιστούν τις τιμές/κωδικούς εξαρτημάτων πιο δύσκολο να διαβαστούν χωρίς μεγέθυνση

Τα ελαττωματικά εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης μπορούν να επισκευαστούν χρησιμοποιώντας συγκολλητικά σίδερα (για ορισμένες συνδέσεις) ή συστήματα επανεπεξεργασίας χωρίς επαφή. Τα τελευταία προτιμώνται γενικά, καθώς η εργασία SMD με σίδερα απαιτεί σημαντική δεξιότητα.

Η επανεπεξεργασία περιλαμβάνει συνήθως:

1. Τήξη της συγκόλλησης και αφαίρεση του εξαρτήματος
2. Καθαρισμός υπολειμματικής συγκόλλησης (για ορισμένα εξαρτήματα)
3. Εφαρμογή φρέσκιας πάστας συγκόλλησης (με διανομή ή εμβάπτιση)
4. Τοποθέτηση νέου εξαρτήματος και επαναροή

Η μαζική επανεπεξεργασία πανομοιότυπων εξαρτημάτων απαιτεί εξειδικευμένο εξοπλισμό, ιδιαίτερα όταν ανακαλύπτεται αργά στον κύκλο ζωής του προϊόντος. Υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι χωρίς επαφή:

Χρησιμοποιεί υπέρυθρη ακτινοβολία μακρού, μεσαίου ή βραχέος κύματος για θέρμανση.

Πλεονεκτήματα: Απλός σχεδιασμός, δεν απαιτείται πεπιεσμένος αέρας, ομοιόμορφη θέρμανση, ακριβής έλεγχος θερμοκρασίας, τεκμηρίωση της διαδικασίας

Μειονεκτήματα: Απαιτεί θωράκιση κοντινών εξαρτημάτων, η θερμοκρασία επιφάνειας ποικίλλει ανάλογα με την ανακλαστικότητα, απώλειες μεταφοράς

Μεταφέρει θερμότητα μέσω θερμού αέρα ή αδρανούς αερίου (αζώτου).

Πλεονεκτήματα: Δυνατότητα εναλλαγής αερίου, υψηλή αξιοπιστία με κατάλληλα ακροφύσια, ταχεία ψύξη

Μειονεκτήματα: Αργή θερμική απόκριση, ακριβά προσαρμοσμένα ακροφύσια, πιθανή ζημιά εξαρτημάτων από αναταράξεις, δύσκολη μέτρηση θερμοκρασίας

Συνδυάζουν υπέρυθρες μεσαίου κύματος με θερμό αέρα.

Πλεονεκτήματα: Συνδυάζει τα οφέλη και των δύο μεθόδων, χειρίζεται μεγάλα/περίεργα σχήματα εξαρτημάτων, εξαιρετικός έλεγχος θερμοκρασίας

Μειονεκτήματα: Εξακολουθεί να απαιτεί θωράκιση εξαρτημάτων

Τα εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης είναι συνήθως μικρότερα από τα εξαρτήματα με ακροδέκτες και σχεδιασμένα για χειρισμό από μηχανήματα. Ο κλάδος έχει τυποποιήσει τα σχήματα και τα μεγέθη των πακέτων (κυρίως μέσω του JEDEC). Από το 2024, τα μικρότερα διαθέσιμα μεγέθη μετά το 0201 περιλαμβάνουν 01005, 008005, 008004, 008003 και 006003.

Αντιστάσεις: Οι αντιστάσεις SMD ανοχής 5% χρησιμοποιούν τριψήφιους κωδικούς (δύο σημαντικά ψηφία, ένας πολλαπλασιαστής). Τα εξαρτήματα ανοχής 1% χρησιμοποιούν έναν αλφαριθμητικό κωδικό σειράς E96.

Πυκνωτές: Τα μη ηλεκτρολυτικά συχνά δεν έχουν σήμανση, απαιτώντας μέτρηση μετά την αφαίρεση. Τα ηλεκτρολυτικά (τυπικά ταντάλιο) χρησιμοποιούν κωδικοποίηση παρόμοια με την αντίσταση.

Επαγωγείς: Οι μικρότερες μονάδες εμφανίζονται ως χάντρες φερρίτη, ενώ οι μεγαλύτεροι τύποι περιέλιξης καλωδίων μπορεί να εμφανίζουν τιμές (π.χ., «330» για 33μH).

Ημιαγωγοί: Οι δίοδοι και τα τρανζίστορ χρησιμοποιούν κωδικούς δύο/τριών συμβόλων που ποικίλλουν ανάλογα με τον κατασκευαστή και το πακέτο.

ICs: Τα μεγαλύτερα πακέτα συνήθως εμφανίζουν πλήρεις αριθμούς εξαρτημάτων, συμπεριλαμβανομένων των προθεμάτων ή των λογοτύπων του κατασκευαστή.