فرآیند مونتاژ PCB

تا به حال به این فکر کرده اید که گوشی هوشمند یا کامپیوتر شما واقعا چگونه کار می کند؟ همه چیز با چیزی به نام مونتاژ PCB شروع می شود - فرآیندی که مدارهای الکترونیکی را زنده می کند. بدون آن، دستگاه های مدرن وجود نداشتند.

مجموعه PCB تمام اجزای ضروری را به یک برد مدار متصل می کند. درک این فرآیند به شما کمک می کند بهتر طراحی کنید، مشکلات را سریعتر برطرف کنید و از اشتباهات پرهزینه جلوگیری کنید.

در این پست، یاد خواهید گرفت که مونتاژ PCB چیست، چرا مهم است و هر مرحله چگونه کار می کند - از ابتدا تا انتها.

مونتاژ PCB چیست؟

بردهای مدار چاپی یا PCBها همه جا هستند. از تلفن‌ها گرفته تا یخچال‌ها، تخته‌های نازک و اغلب سبز رنگ با خطوط مسی هستند که قطعات الکترونیکی مختلف را به هم متصل می‌کنند. اما PCB ها به خودی خود کاری انجام نمی دهند. آنها فقط جاده های خالی هستند. چیزی که باعث می شود آنها کار کنند، فرآیند مونتاژ PCB یا PCBA است.

اینجاست که جالب می شود. PCB فقط پایه است - مانند یک بوم خالی. PCBA به این معنی است که ما در واقع اجزایی مانند مقاومت ها، تراشه ها و کانکتورها را به آن برد اضافه می کنیم تا بتواند کار کند. این کار با استفاده از فناوری های مختلف، اغلب SMT و THT انجام می شود و شامل لحیم کاری، بازرسی و آزمایش است.

به راحتی می توان ساخت PCB را با مونتاژ اشتباه گرفت، اما آنها یکسان نیستند. تمرکز تولید بر روی ساخت تخته لخت با استفاده از لایه‌های مس، فایبرگلاس، ماسک لحیم کاری و صفحه ابریشم است. مونتاژ پس از آن اتفاق می افتد - همه چیز در مورد قرار دادن و ایمن سازی قطعاتی است که باعث کارکرد برد می شود.

PCB های مونتاژ شده را در انواع لوازم الکترونیکی خواهید یافت. به گوشی‌های هوشمند، تلویزیون‌ها، دوچرخه‌های برقی، ماشین‌های لباسشویی، روترها یا حتی ماشین‌های موجود در کارخانه‌ها فکر کنید. برخی کوچک هستند و با تراشه های کوچک بسته بندی شده اند. برخی دیگر بزرگ و پر از قطعات کنترل کننده قدرت هستند. بدون توجه به اندازه، PCBA چیزی است که یک برد آرام را به چیزی تبدیل می کند که دستگاه شما را پردازش، متصل یا نیرو می دهد.

مروری بر فرآیند مونتاژ PCB

قبل از اینکه یک برد مدار کار مفیدی انجام دهد، چندین مرحله کلیدی را طی می کند. فرآیند مونتاژ PCB ترکیبی از مراحل خودکار و کار عملی است. همه چیز با پیش مونتاژ شروع می شود، مراحل SMT و THT را طی می کند و به پس پردازش ختم می شود.

در هنگام پیش مونتاژ، تمرکز بر بررسی طرح است. این به معنای بررسی فایل‌های Gerber و BOM یا Bill of Materials است. این فایل ها به اسمبلر می گویند که چه چیزی بسازد، چه قطعاتی مورد نیاز است و چگونه با هم قرار می گیرند. یک BOM جامد از تاخیر، قطعات گم شده یا خطاهای بعدی جلوگیری می کند. مهندسان همچنین بررسی های DFM را اجرا می کنند تا مطمئن شوند که برد واقعا قابل ساخت است. اگر فاصله‌ها خاموش باشد یا پدها خیلی کوچک باشند، مشکلات سریع ظاهر می‌شوند.

بعد مرحله SMT می آید. این جایی است که اجزای ریز روی سطح تخته قرار می گیرند. ماشین‌ها خمیر لحیم کاری را روی نقاط خاصی اعمال می‌کنند، سپس قطعات را با دقت روباتیک انتخاب و قرار می‌دهند. پس از آن، تخته به یک کوره جریان می رود تا خمیر ذوب شده و به شکل مفاصل جامد سخت شود.

اگر قطعات بزرگتری وجود دارد که نمی توان روی سطح نصب کرد، به سمت THT حرکت می کنیم. در اینجا، قطعات با سرب های بلند از سوراخ های روی برد عبور می کنند. اینها یا با دست یا با لحیم کاری موجی لحیم می شوند، جایی که لحیم مذاب در کف تخته جریان دارد.

پس از مونتاژ، نوبت به پس پردازش می رسد. این شامل تمیز کردن برد، برنامه‌ریزی تراشه‌ها، اجرای تست‌های عملکردی و گاهی اضافه کردن یک پوشش محافظ است. این مراحل مطمئن می شوند که برد نه تنها کار می کند، بلکه در صورت استفاده در دنیای واقعی قابل اعتماد می ماند.

مراحل اصلی مونتاژ PCB

مرحله 1: آماده سازی قبل از مونتاژ

قبل از اینکه هر یک از اجزای برد را لمس کند، مرحله پیش مونتاژ برای همه چیزهایی که در ادامه می آید تن به تن می دهد. در این مرحله، فایل‌های طراحی مجدداً بررسی می‌شوند، قطعات منبع‌یابی می‌شوند و مقدمات برای جلوگیری از بروز مشکل فراهم می‌شود.

تجزیه و تحلیل DFM/DFA چیست؟

DFM مخفف Design for Manufacturability است. این فرآیندی است که در آن مهندسان چیدمان مدار و محل قرارگیری اجزای شما را بررسی می‌کنند تا هر چیزی که ساختن آن مشکل یا خطرناک است را تشخیص دهند. شاید دو پد خیلی نزدیک باشند. شاید ردپاها نتوانند جریان را تحمل کنند. DFM کمک می‌کند تا این مشکلات زودتر برطرف شود.

DFA یا Design for Assembly به این موضوع می پردازد که در واقع جمع کردن همه چیز چقدر آسان است. حتی اگر طراحی روی کاغذ کار کند، آیا در مونتاژ با سرعت بالا کار می کند؟ آیا ممکن است چیزی در حین جریان مجدد تغییر کند یا در حین بازرسی مسدود شود؟ این چیزی است که DFA به پاسخ دادن کمک می کند.

هم DFM و هم DFA از دوباره کاری پرهزینه، تاخیر و نقص جلوگیری می کنند. آنها با اطمینان از اینکه طراحی تخته مشکلی در طول تولید ایجاد نمی کند در زمان و مواد صرفه جویی می کنند.

تدارکات قطعات و کنترل کیفیت

هنگامی که طرح مورد بازرسی قرار گرفت، نوبت به جمع آوری قطعات می رسد. Bill of Materials یا BOM هر مقاومت، خازن، تراشه و کانکتوری را که مونتاژ به آن نیاز دارد فهرست می کند. اما سفارش دادن آنها فقط با کلیک کردن روی یک دکمه نیست.

تولیدکنندگان باید تامین کنندگان قابل اعتمادی را پیدا کنند که قطعات اصلی و آزمایش شده را ارائه می دهند. بدون ضربه آف. پس از رسیدن قطعات، کنترل کیفیت ورودی شروع می شود. این مرحله اندازه، بسته بندی و وضعیت هر دسته را تأیید می کند. قطعات با سیم خمیده یا قرقره شکسته روی تخته نمی روند.

داشتن اجزای تایید شده در دست به این معنی است که مراحل SMT و THT می توانند به آرامی شروع شوند - بدون اینکه قابلیت اطمینان یا انطباق به خطر بیفتند.

مرحله 2: مونتاژ فناوری نصب سطحی (SMT).

فن آوری نصب سطحی یا SMT، اجزای کوچکی را که به صورت صاف روی تخته قرار می گیرند، کنترل می کند. اینها شامل اکثر مقاومت ها، دیودها و مدارهای مجتمع می شود. این کارآمدترین و پرکاربردترین روش برای مونتاژ الکترونیکی مدرن است.

SMT در مونتاژ PCB چیست؟

SMT به ماشین ها اجازه می دهد تا به سرعت قطعات را با دقت باورنکردنی قرار دهند. برخلاف روش قدیمی‌تر سوراخ عبوری، که نیاز به سرب از طریق سوراخ‌ها دارد، SMT قطعات را مستقیماً روی سطح برد قرار می‌دهد. سریع، جمع و جور و برای چیدمان های با چگالی بالا عالی است.

مرحله 1: کاربرد خمیر لحیم کاری

هر جزء نیاز به یک نقطه فرود چسبنده دارد. اینجاست که خمیر لحیم وارد می‌شود. این خمیر ترکیبی از فلز پودری – عمدتاً قلع – با مقداری نقره و مس است. فلاکس اضافه می شود تا به ذوب شدن و جاری شدن آن کمک کند.

یک شابلون فلزی روی PCB لخت قرار می گیرد و خمیر به دقت روی پدها چاپ می شود. ماشین ها با استفاده از تیغه خمیر را به طور مساوی پخش می کنند. هنگامی که شابلون برداشته می شود، تخته حباب های کوچک خمیر را فقط در صورت نیاز نگه می دارد.

خمیر زیاده؟ می تواند دو پد را کوتاه کند. خیلی کم؟ اتصال ضعیف یا عدم اتصال. به همین دلیل این مرحله حیاتی است.

مرحله 2: انتخاب و مکان اجزای SMD

اکنون که تخته آماده شده است، بازوهای رباتیک وارد کار می شوند. با استفاده از نازل های خلاء، دستگاه انتخاب و جاسازی هر قسمت را از یک قرقره گرفته و روی تخته قرار می دهد. هر حرکت بر اساس فایل طراحی از پیش برنامه ریزی شده است. ماشین دقیقا می داند که هر قطعه به کجا تعلق دارد.

قطعات کوچکی مانند مقاومت های 01005 که به سختی بزرگتر از یک دانه گرد و غبار هستند، مشکلی ندارند. تراشه ها یا کانکتورهای بزرگتر نیز فقط با نازل های مختلف قرار می گیرند.

این فرآیند می‌تواند با سرعت رعد و برق - با قرار دادن هزاران جزء در ساعت - بدون اشتباه یا خستگی اتفاق بیفتد.

مرحله 3: فرآیند لحیم کاری مجدد

اکنون قطعات باید محکم شوند. کار اجاق گاز دوباره همین است. کل تخته روی یک تسمه نقاله از یک محفظه طولانی عبور می کند که به صورت مرحله ای گرم می شود.

در ابتدا دما به تدریج افزایش می یابد تا تخته گرم شود. سپس به بالاتر از 217 درجه سانتیگراد می رسد تا لحیم کاری ذوب شود. در نهایت به آرامی خنک می شود تا لحیم کاری بدون ترک خوردگی جامد شود.

نتیجه؟ هر جزء توسط یک اتصال لحیم کاری تمیز و براق در جای خود قفل می شود. در تخته های دو طرفه، ابتدا یک طرف انجام می شود، سپس این روند برای طرف دیگر تکرار می شود. برنامه ریزی دقیق از افتادن قطعات در پاس دوم جلوگیری می کند.

مرحله 4: بازرسی نوری (AOI)

پس از جریان مجدد، زمان بررسی مشکلات است. ممکن است قطعات کمی جابجا شوند یا در لحیم کاری شکست بخورند. اینجاست که بازرسی وارد می شود.

دسته های کوچک ممکن است زیر ذره بین ها به صورت دستی ظاهر شوند. برای حجم های بالاتر، بازرسی نوری خودکار یا AOI کار را بر عهده می گیرد. این دستگاه ها با دوربین های پرسرعت برد را اسکن می کنند. آنها انعکاس های لحیم کاری را به نقطه اتصالات سرد یا قطعات نامرتب تشخیص می دهند.

برای اتصالات پنهان زیر تراشه‌هایی مانند BGA، از بازرسی اشعه ایکس استفاده می‌شود. این به تکنسین‌ها اجازه می‌دهد تا عیوبی را که نمی‌توانید از روی سطح تشخیص دهید، از طریق برد ببینند.

مرحله 3: مونتاژ فناوری از طریق سوراخ (THT).

همه قطعات روی سطح نصب نمی شوند. برخی هنوز باید از طریق هیئت مدیره عبور کنند. اینجاست که فناوری سوراخ وارد می شود. اجزای برق، اتصال دهنده ها یا ترانسفورماتورها اغلب از این روش استفاده می کنند.

THT در مونتاژ PCB چیست؟

THT شامل قطعاتی با سیم های بلند است که از سوراخ های PCB عبور می کنند. این سرنخ ها از طرف دیگر لحیم می شوند تا یک اتصال مکانیکی و الکتریکی قوی ایجاد کنند. برای قطعات پر استرس که ممکن است با لرزش یا گرما مواجه شوند عالی است.

درج دستی قطعات از طریق سوراخ

بیشتر THT با قرار دادن قطعات با دست توسط تکنسین شروع می شود. به سرعت SMT نیست، اما انعطاف پذیری را ارائه می دهد. اسمبلر از راهنمای قرار دادن پیروی می کند و جهت گیری، قطبیت و فاصله را بررسی می کند.

اقدامات احتیاطی ضد الکتریسیته ساکن به خصوص برای تراشه های حساس ضروری است. یک زاپ اشتباه می تواند یک قطعه گران قیمت را خراب کند.

پس از قرار دادن، برد به محل لحیم کاری منتقل می شود.

لحیم کاری موجی توضیح داده شده است

برای دسته های بزرگتر، روش لحیم کاری موجی است. تخته ها روی حمامی از لحیم مذاب حرکت می کنند. موجی بالا می‌آید و قسمت زیرین آن را لمس می‌کند و تمام سرنخ‌های در معرض دید را در چند ثانیه لحیم می‌کند.

این روش سریع و قابل اعتماد است - اما فقط برای مجموعه های یک طرفه یا انتخابی است. تخته های دو طرفه نیاز به جابجایی خاص یا لحیم کاری دستی دارند تا از آسیب رساندن به قطعاتی که قبلاً در جای خود هستند جلوگیری شود.

مرحله 4: مراحل پس از مونتاژ

هنگامی که تمام قطعات روشن و لحیم کاری شدند، هنوز کارهای بیشتری برای انجام دادن وجود دارد. پس از پردازش تضمین می کند که برد تمیز، کاربردی و محافظت شده است.

تمیز کردن و حذف شار

لحیم کاری شار را پشت سر می گذارد. بی ضرر به نظر می رسد اما می تواند به مرور زمان باعث خوردگی مفاصل شود. همچنین رطوبت و گرد و غبار را به دام می اندازد. به همین دلیل تمیز کردن ضروری است.

تکنسین ها از آب دیونیزه و واشرهای فشار قوی استفاده می کنند. بدون یون به معنای عدم اتصال کوتاه است. پس از آن، هوای فشرده رطوبت را از بین می برد تا تخته خشک و آماده باقی بماند.

بازرسی نهایی و تاچ آپ

قبل از ارسال هر چیزی، یک بازرسی دیگر وجود دارد. تکنسین ها به دنبال پل های لحیم کاری، قطعات از دست رفته یا نقص های زیبایی هستند. در صورت نیاز دوباره از اشعه ایکس استفاده می شود.

اگر مشکلی پیدا شد، به صورت دستی رفع می شود. یک آهن لحیم کاری و مقداری فلاکس می تواند مفاصل سرد را ترمیم کند یا نواحی ضعیف را پر کند.

برنامه نویسی آی سی

برخی از تابلوها به مغز نیاز دارند. اینجاست که سیستم عامل وارد می شود. با استفاده از رابط USB، نرم افزار روی آی سی روی برد آپلود می شود.

این مرحله بسته به پروژه می تواند شامل کالیبراسیون یا بررسی نسخه باشد. بدون برنامه نویسی، برد ممکن است عالی به نظر برسد اما کاری انجام ندهد.

تست عملکردی (FCT)

آخرین آزمایش بزرگ استفاده در دنیای واقعی را شبیه سازی می کند. برق اعمال می شود. سیگنال ها ارسال می شود. تکنسین ها مراقب واکنش هیئت مدیره هستند. آیا ولتاژ ثابت است؟ آیا صفحه نمایش روشن می شود؟ آیا دکمه ها کار می کنند؟

اگر چیزی خاموش است، یادداشت و رفع می شود. این آخرین مرحله قبل از ورود تابلوها به محصولات است - یا شکست می خورد و از بین می رود.

مونتاژ PCB ممکن است در ابتدا ساده به نظر برسد، اما هر مرحله پر از جزئیات و دقت است. هر قسمت، مفصل و ردیابی نقش مهمی در کارکرد وسایل الکترونیکی به شکلی که ما انتظار داریم ایفا می کند.

SMT در مقابل THT در مقابل فناوری مخلوط در مونتاژ PCB

هنگام مونتاژ PCB ها، هیچ روشی برای همه وجود ندارد. فناوری نصب سطحی (SMT)، فناوری از طریق سوراخ (THT) و فناوری ترکیبی، هر کدام بسته به پروژه، نقاط قوت و محدودیت های خاص خود را دارند.

SMT سریع، فشرده و بسیار خودکار است. این برای قطعات کوچک مانند مقاومت ها یا آی سی ها مناسب است، به خصوص زمانی که در حال تولید دسته های بزرگ هستید. ماشین‌ها تقریباً همه چیز را اداره می‌کنند، که هزینه‌های نیروی کار را پایین نگه می‌دارد. اما برای قطعات بزرگ و سنگین که نیاز به استحکام مکانیکی دارند خوب کار نمی کند.

اینجاست که THT وارد می شود. برای اتصال دهنده ها، سیم پیچ ها یا قطعات برقی که باید محکم بمانند عالی است. قطعات از برد عبور می کنند و در طرف دیگر لحیم می شوند. بیشتر طول می کشد و هزینه بیشتری دارد، به خصوص زمانی که به صورت دستی انجام شود، اما پشتیبانی فیزیکی قوی تری ارائه می دهد.

فناوری ترکیبی از هر دو استفاده می کند. این در طراحی های مدرن که در آن بردها تراشه های منطقی کوچک و قطعات قدرت بزرگ را حمل می کنند، رایج است. اگر درست برنامه ریزی شود، هر دو روش با هم کار می کنند. ابتدا قطعات SMT را با استفاده از جریان مجدد قرار دهید، سپس قطعات THT را اضافه کنید و لحیم کاری موجی را اجرا کنید - یا اگر مقدار کم است از لحیم کاری دستی استفاده کنید.

برای جلوگیری از مشکلات، طراحان باید قطعات را در کنار هم جدا کنند، از فاصله تنگ نزدیک سوراخ ها اجتناب کنند و ترتیب مونتاژ مناسب را دنبال کنند. انجام این کار ساخت را صاف نگه می دارد و هزینه دوباره کاری را کاهش می دهد.

عیوب متداول مونتاژ PCB و نحوه جلوگیری از آنها

حتی پیشرفته ترین خطوط مونتاژ نیز ممکن است با مشکل مواجه شوند. دانستن رایج‌ترین نقص‌های مونتاژ PCB به رفع زودهنگام مشکلات و جلوگیری از هدر رفتن بردها کمک می‌کند. در اینجا چند مورد است که اغلب نشان داده می شود.

اتصالات لحیم سرد

این زمانی اتفاق می افتد که لحیم کاری به طور کامل ذوب یا چسبانده نشود. کدر یا دانه دار به نظر می رسد و باعث اتصالات الکتریکی ضعیف یا نامطمئن می شود. معمولاً از گرمای ضعیف در هنگام جریان مجدد یا لحیم کاری موجی ناشی می شود. برای جلوگیری از آن، مشخصات دما را بررسی کنید و مطمئن شوید که فر به درستی کالیبره شده است.

سنگ قبر

سنگ قبرها نام خود را از نحوه ایستادن قطعات کوچک مانند مقاومت در یک انتها، مانند سنگ قبر گرفته شده است. یک طرف قطعه به دلیل گرمای ناهموار یا کشش سطحی بیش از حد از لحیم کاری از روی پد بلند می شود. هنگامی که خمیر به طور ناهموار استفاده می شود، روی تراشه های کوچک معمول است. طراحی خوب استنسیل و کنترل جریان مجدد به جلوگیری از آن کمک می کند.

پل لحیم کاری

هنگامی که لحیم کاری دو لنت را که نباید با هم برخورد کنند به هم وصل می کند، یک پل ایجاد می کند. این می تواند باعث اتصال کوتاه شود. خمیر لحیم کاری بیش از حد یا تراز ضعیف در هنگام قرار دادن دلایل رایج هستند. استفاده از دستگاه های AOI و تنظیم ضخامت شابلون می تواند این خطر را کاهش دهد.

اجزای نامناسب

اگر یک جزء در حین قرار دادن یا جریان مجدد جابجا شود، ممکن است اصلاً متصل نشود. ماشین ها باید به خوبی کالیبره شده باشند و خمیر باید به طور یکنواخت اعمال شود تا قطعات را در جای خود نگه دارد تا زمانی که لحیم کاری آنها را قفل کند.

نتیجه گیری

فرآیند مونتاژ PCB شامل مراحل متعددی است، از بررسی طراحی و قرار دادن قطعات تا لحیم کاری و آزمایش نهایی. هر مرحله - اعم از SMT، THT یا ترکیبی - نیاز به توجه به جزئیات و دقت دارد. انتخاب روش مناسب، بازرسی اغلب، و اطمینان از مونتاژ تمیز به جلوگیری از مشکلات پرهزینه کمک می کند. برای پروژه های پیچیده، همیشه هوشمندانه است که با متخصصانی کار کنید که هم فناوری و هم استانداردهای کیفیت را درک می کنند که تضمین می کند هر PCB همانطور که انتظار می رود کار می کند. به بررسی محصولات پشتیبانی شرکت ما، مانند دستگاه مسواک زدن PCB, تجهیزات خشک کردن UV. 

سوالات متداول

تفاوت بین PCB و PCBA چیست؟

PCB به برد مدار چاپی لخت بدون هیچ جزئی اشاره دارد. PCBA به این معنی است که برد تمام قطعات مونتاژ شده و آماده استفاده است.

چرا هر دو SMT و THT در مونتاژ PCB استفاده می شوند؟

SMT برای قطعات کوچک و سبک عالی است. THT برای قطعاتی که نیاز به پشتیبانی مکانیکی قوی دارند بهتر است. بسیاری از تابلوها از هر دو روش استفاده می کنند.

هدف از لحیم کاری مجدد چیست؟

لحیم کاری Reflow خمیر لحیم کاری را ذوب می کند تا اجزا را به تخته بچسباند. این کلید برای ایمن سازی دستگاه های نصب شده روی سطح است.

چگونه از عیوب لحیم کاری مانند پل زدن جلوگیری می کنید؟

از ضخامت شابلون مناسب استفاده کنید، خمیر را با دقت اعمال کنید، و بازرسی های منظم مانند AOI را برای تشخیص زودهنگام مشکلات انجام دهید.

آیا یک PCB می تواند در هر دو طرف قطعات داشته باشد؟

بله، تخته های دو طرفه رایج هستند. هر طرف به طور جداگانه مونتاژ و لحیم می شود، اغلب با طرف ساده تر شروع می شود.