SMT (Tehnologija površinskog montažiranja)

Kako tehnologija napreduje, pakovanje čipova širom svijeta prešlo je sa kroz-rupe komponenti sa dvostrukim linijskim kontaktima na površinski montirane pakete. Danas ćemo govoriti o tehnologiji površinskog montažiranja, ili SMT. SMT je najčešća metoda sklapanja u modernoj elektronici.

SMT je skraćenica za tehnologiju površinskog montažiranja. Ljudi ga također nazivaju površinskom montažom sklopova ili površinskom montažom. To je skup procesa koji se koriste u sklapanju elektronike. SMT postavlja komponente koje nemaju duge pinove ili imaju samo kratke pinove na površinu tiskane pločice ili drugih podloga. Te se komponente obično nazivaju SMC ili SMD, što znači površinski montirane komponente. SMT dijelovi se lemaju na pločicu metodama poput talasnog lemljenja ili reflow lemljenja. Time se formira kompletan sklop kruga.

U poređenju sa starijim stilovima pakovanja, SMT postavlja veće zahtjeve za pakovanje čipova. Današnje napredne vrste pakovanja uključuju pakovanje na nivou pločice (WLP), trodimenzionalno pakovanje (3DP) i sistem u pakovanju (SiP). Ove vrste zahtijevaju strožu kontrolu procesa, užu toleranciju i naprednije proizvodne vještine.

Šta je Wafer Level Packaging (WLP)?

Wafer Level Packaging, ili WLP, je napredna metoda pakovanja. WLP je u posljednjih nekoliko godina brzo rastao. Ljudi ga koriste jer omogućava izradu malih paketa, pruža dobre električne performanse, pomaže pri raspršivanju toplote i smanjuje troškove.

WLP se razlikuje od tradicionalnog pakovanja jer se koraci pakovanja odvijaju dok su čipovi još uvijek na pločici. Zaštitni sloj može biti pričvršćen na gornju ili donju stranu pločice. Zatim se uspostavljaju I/O veze. Nakon toga se pločica reže na pojedinačne čipove.

WLP ima nekoliko jasnih prednosti u odnosu na starije metode.

1. Mala veličina paketa.
   Budući da WLP ne zahtijeva žičane spojeve, kontaktne pločice niti plastični kalup, pakovanje ne mora nadilaziti pločicu. Stoga je veličina WLP pakovanja gotovo jednaka veličini čipa.

2. Visoka brzina podataka.
   WLP obično koristi kraće međuveze nego tradicionalni wire-bond dijelovi. Kada sistemu treba visoka brzina ili visoka frekvencija, kraći putevi pružaju bolje performanse signala.

3. Visoka gustoća veza.
   WLP može koristiti veze u polju, ne samo rubne veze. To omogućava dizajnerima da postave mnogo više veza po jedinici površine između čipa i ploče.

4. Kraći proizvodni ciklus.
   Budući da se pakovanje obavlja na nivou pločice, koraci od izrade čipa do gotovog pakovanog dijela su jednostavniji. To smanjuje broj procesnih koraka i skraćuje vrijeme isporuke.

5. Niži troškovi procesa.
   WLP obavlja pakovanje i testiranje na nivou pločice i ima koristi od serijske obrade. Trošak po uređaju može se smanjiti kada na svakoj pločici stane više dobrih čipova. Trendovi poput manjih dimenzija čipova i većih prečnika pločica također smanjuju trošak po uređaju. WLP u potpunosti koristi alate za proizvodnju pločica, pa je kapitalni trošak po pakiranom uređaju općenito niži.

Danas se WLP široko koristi u komponentama poput flash memorije, EEPROM-a, visokobrzinskog DRAM-a, SRAM-a, LCD upravljačkih sklopova, RF uređaja, logičkih čipova, čipova za upravljanje napajanjem i mnogih analognih uređaja kao što su regulatori, senzori temperature, kontroleri, operacijska pojačala i pojačala snage.

Šta je trodimenzionalno pakovanje (3DP)?

Trodimenzionalno pakovanje, ili 3DP, je tehnika slojevanja. Ono obuhvata komponente poput CIS senzora, MEMS pakovanja i standardnih pakovanja uređaja. Ideja je da se dva ili više čipova postavi vertikalno unutar jednog pakovanja, bez promjene površine pakovanja. Na taj način dizajneri mogu stvoriti veće sistemske funkcije i bolje performanse unutar jednog pakovanja. 3D pakovanje započelo je sa slojevitim flash memorijama (NOR, NAND) i slojevitim SDRAM-om.

Glavne karakteristike 3DP-a uključuju višefunkcionalnu integraciju i visoke performanse. Također pruža veliki kapacitet i visoku gustoću. Funkcija po jedinici zapremine znatno raste, što može smanjiti troškove za neke primjene.

Šta je System-in-Package (SiP)?

System-in-Package, ili SiP, integriše mnoge različite funkcionalne čipove unutar jednog pakovanja. To može uključivati procesore, memoriju i druge komponente. SiP sklop sadrži više čipova u slojevitim strukturama. Pakovanje djeluje kao mali sistem ili podsistem. Cilj SiP-a je veća izvedba, više funkcija i brža obrada. Istovremeno, SiP smanjuje prostor koji uređaji zauzimaju unutar proizvoda. Ovo je jedan od puteva ka onome što ljudi nazivaju konvergentnim sistemom.

SiP ima dvije ključne osobine:

1. Ono objedinjuje čipove s različitim tehnološkim procesima i različitim funkcijama u jednom paketu. To omogućava da konačni dio djeluje kao moćan sistemski modul.

2. Premješta diskretne komponente koje su ranije bile na štampanoj pločici u višeslojnu integrisanu strukturu unutar paketa. To čini konačni sistem mnogo manjim.

Pakovanje ima dvije glavne uloge. Prvo, povezuje unutrašnje dijelove čipa s vanjskim krugom. Drugo, štiti čip i njegove spojeve. Ove tri napredne metode pakovanja svaka imaju svoje prednosti. Odgovaraju različitim potrebama primjene. Iako još nisu univerzalne, ukazuju na budućnost. Vrijeme će pokazati koja će postati najčešća metoda.

Razlike između PCB-a, SMT-a i PCBA

Jasni kratki vodič pomaže kada ljudi miješaju ove pojmove.

1. PCB znači tiskanu ploču. To je sirova ploča koja se koristi u SMT obradi. PCB je poluproizvod.

2. SMT znači tehnologiju površinskog montažiranja. To je proces koji sastavlja komponente na štampanoj pločici. SMT je danas najčešći proces montaže.

3. PCBA znači sklop štampane pločice. PCBA uključuje SMT i dodatne usluge. PCBA obuhvata nabavku komponenti, testiranje i završnu montažu. To je model usluge na jednom mjestu za kupca. PCBA pokazuje smjer razvoja fabričkih usluga.

Za gotov elektronički proizvod, koraci obično idu ovako: PCB → SMT → PCBA. Proizvodnja PCB-a uključuje mnoge složene korake. SMT je u usporedbi relativno jednostavan. PCBA ima za cilj pružiti uslugu od početka do kraja.

SMT proces površinskog montažiranja

1. Predsklop: Priprema lemnih površina

Prije sklapanja, sve podloge koje će držati površinske komponente moraju biti ravne i čiste. Te podloge su mjesta gdje se nalazi kalaj, srebrna ili zlatna pozlaćena kupka. One nemaju prolazne rupe. Ljudi te elemente nazivaju kalajnim podlogama.

2. Nanošenje paste za lemljenje

Lemna pasta je ljepljiva smjesa metalnog praha i fluksa. Metal koji se koristio u mnogim lemnim pastama nekada je bio kositar-olovo. Danas mnoge fabrike koriste legure bez olova. Stroj za nanošenje lemne paste koristi šablonu od nehrđajućeg čelika ili nikl-čelika za nanošenje lemne paste na kontakte. Štampanje se također može obaviti jet-dispensing metodom, koja je slična inkjet štampanju.

3. Postavljanje komponenti Pick-and-Place

Nakon štampe paste za lemljenje, ploča se premješta na transportnu traku ka pick-and-place mašinama. Ploča se poravnava i čeka komponente. Komponente koje se postavljaju obično se nalaze u papirnim ili plastičnim tubama na traci. Uvodnik (feeder) utovara ove komponente u SMT pick-and-place mašinu. Veći integrisani sklopovi se prevoze u antistatičkim posudama. Pick-and-place mašina uzima komponentu sa trake ili iz posude i postavlja je na pastu za lemljenje na štampanoj pločici. Ljepljivost paste za lemljenje drži komponentu na mjestu.

4. Talasno lemljenje: obrada u pećnici

Zatim se PCB stavlja u reflow pećnicu. Reflow pećnica prvo ima zonu predgrijavanja. Pločica i komponente se polako zagrijavaju. Zatim se ploča premješta u zonu visoke temperature. Pastica za lemljenje se topi i povezuje kontakte na pločici s komponentama. Površinska napetost rastopljenog kalaja pomaže držati komponente na mjestu. Površinska napetost također može povući blago neporavnate komponente natrag u njihove ispravne položaje.

5. Uobičajene metode talasnog lemljenja

Postoji mnogo metoda reflow-a. Jedna koristi infracrvene lampe i naziva se infracrveni reflow. Druga koristi konvekciju vrućeg zraka. Jedna popularna metoda koristila je posebnu fluorokarbonsku tekućinu visokog tačke ključanja. Ta metoda se naziva reflow u parnoj fazi. Nakon propisa o bezolovnim komponentama i zabrinutosti za okoliš, mnoge fabrike su smanjile upotrebu fluorokarbona. Prije otprilike 2008. godine, reflow konvekcijom zraka ili dušika bio je uobičajen. Svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke. Kod infracrvenog postupka, dizajn ploče mora osigurati da kraći dijelovi ne budu zasjenjeni višim dijelovima. Međutim, ako se procesi koriste fazom pare ili konvekcijskim reflowom, položaj dijelova može biti manje zabrinjavajući.

6. Ručno lemljenje za posebne komponente

Tokom faze reflow-a, neke neobične ili na toplinu osjetljive komponente zahtijevaju ručno lemljenje. Za veće ručne poslove koriste se infracrveni ili konvekcijski alati kako bi se završilo reflow lemljenje tih dijelova.

7. Obrada dvostranih tiskanih pločica

Ako je tiskani pločasti sklop dvostran, štampanje, postavljanje i reflow se ponavljaju na drugoj strani. Ljudi često koriste pastu za lemljenje ili crvenu ljepilo za pričvršćivanje komponenti. Ako je kasnije potrebna valna obrada, ljepilo drži dijelove na mjestu tokom procesa valnog lemljenja kako ne bi ispali kad budu izloženi rastopljenom kalaju.

8. Čišćenje nakon lemljenja

Nakon lemljenja, ploču je moguće očistiti kako bi se uklonili ostaci kalaja i grudvice kalaja koje mogu uzrokovati kratka spojena. Kalajni kal (rosin flux) se može ukloniti fluorougljikovodoničkim otapajima, ugljikovodoničkim otapajima s visokom tačkom isparavanja ili otapajima s niskom tačkom isparavanja, kao što su čistači na bazi citrusa. Kalajni kal koji je topiv u vodi ispire se deioniziranom vodom i sredstvima za čišćenje, a zatim se suši zračnim noževima kako bi se površinska voda brzo uklonila. Međutim, mnoge proizvodne linije za SMT sada koriste kalajni kal bez čišćenja (no-clean flux). No-clean fluk ostavlja ostatke na ploči. To štedi troškove čišćenja, poboljšava protok i smanjuje otpad.

9. SMT standardi čišćenja (IPC zahtjevi)

Neki standardi proizvodnje SMT-a, poput onih koje propisuje IPC (Association Connecting Electronics Industries), zahtijevaju određene nivoe čišćenja kako bi se osigurala čistoća ploča. Čak i neke ostatke fluxa koji ne zahtijevaju čišćenje potrebno je ukloniti prema pravilima IPC-a u određenim slučajevima. Pravilno čišćenje može ukloniti flux nevidljiv golom oku, zajedno s drugom prljavštinom i kontaminacijom. Ne sve fabrike se pridržavaju pravila IPC-a ili ne otkrivaju da ispunjavaju IPC nivoe. U praksi mnogi proizvođači primjenjuju standarde koji su čak i stroži od IPC-a.

10. Završna inspekcija i prerada

Na kraju se ploča podvrgava vizualnom pregledu kako bi se utvrdili nedostajućih dijelova, pogrešna orijentacija, hladni spojevi, kratko spajanje lemom i slično. Ako ploče ne prođu, šalju se u servisne centre na preradu. Uobičajeni testovi uključuju ICT (test u krugu) ili FCT (funkcionalni test kruga). Popravci se nastavljaju dok PCB ne radi prema projektovanom.

Prednosti SMT-a

SMT ima mnogo prednosti u odnosu na starije komponente sa provrznim terminacijama.

1. Manje komponente. Do 2012. godine, uobičajene male dimenzije dostigle su 0,4 × 0,2 mm (01005). Trend ide prema još manjim dijelovima.

2. Veća gustoća komponenti. Više dijelova može stati na zadanu površinu, a svaki dio može imati više veza.

3. Veća gustoća međupovezivanja. SMT omogućava više veza po jedinici površine nego kroz-rupe.

4. Niži troškovi i brži prelazak u proizvodnju. SMT linije mogu biti brze i isplative.

5. Manje rupa u dizajnu i proizvodnji ploče. Manji broj izbušenih rupa smanjuje troškove i složenost PCB-a.

6. Brži proces zapošljavanja. Postavljanje SMT-a je automatizirano i brzo.

7. Samopodešavanje dijelova. Površinska napetost tokom reflow-a može ispraviti male pomake pri postavljanju.

8. Dijelovi se mogu postaviti i na vrh i na dno ploče. Ovo povećava upotrebljivu površinu.

9. Niži parazitski otpor i induktansa. Ovo smanjuje probleme sa RF signalom.

10. Bolje mehaničke performanse pri vibracijama i padovima. SMT često bolje podnosi udarce nego veliki komponente sa provrtom.

11. Mnogi SMT dijelovi su jeftiniji od svojih kroznožnih pandana.

12. Poboljšani EMC performansi. Manja područja petlji smanjuju elektromagnetnu emisiju.

Nedostaci SMT-a

SMT također ima neke nedostatke.

1. Manja veličina i fini razmak otežavaju ručni popravak. Potrebni su vješti operateri i skupi alati za preradu.

2. SMD dijelovi nisu plug-and-play za probne ploče. Za brze testne stezaljke morate koristiti prilagođenu štampanu pločicu ili lemiti SMD komponente na adapterne ploče.

3. Lemni spojevi se mogu pogoršati pri toplotnim ciklusima. Neki kvarovi lemnih spojeva nastaju uslijed ponovljenih promjena temperature.

4. Fina razmaknica i manji spojevi zahtijevaju veću preciznost procesa. Proces SMT mora strogo kontrolisati postavljanje i lemljenje.

5. SMT nije pogodan za velike, visokostrujne i visokonasne komponente. Na primjer, veliki transformatori u napajanjima često i dalje koriste kroz-rupu tehnologiju. Mnogi štampani pločevi koriste mješoviti pristup: SMT za većinu komponenti i kroz-rupu za velike snage.

6. SMT može biti loš izbor tamo gdje je mehanički stres čest. Konektori koji se često ubadaju i izvlače mogu opteretiti lemne spojeve. U tim slučajevima je uobičajeno probojno ili ojačano montiranje.

PHILIFAST SMT mogućnosti

Ispod su SMT sposobnosti koje PHILIFAST navodi:

1. Maksimalna veličina ploče za SMT: 310 mm × 410 mm.

2. Maksimalna debljina ploče: 3,0 mm.

3. Minimalna debljina ploče: 0,5 mm.

4. Podržani najmanji chip-tip dijelovi: pakovanje 0201 ili dijelovi veći od 0,6 mm × 0,3 mm.

5. Maksimalna težina dijela za postavljanje: 150 g.

6. Maksimalna visina dijela: 25 mm.

7. Maksimalni otisak dijela: 150 mm × 150 mm.

8. Minimalni razmak za olovne dijelove: 0,3 mm.

9. Podržani minimalni BGA razmak: 0,3 mm.

10. Podržani minimalni promjer BGA kuglice: 0,3 mm.

11. Maksimalna preciznost postavljanja za 100 QFP: 25 μm prema IPC standardu.

Zašto odabrati PHILIFAST za SMT montažu

1. Snaga i kapacitet.
   ▪ SMT radionica: PHILIFAST je uvezao pick-and-place mašine i više optičkih inspekcijskih uređaja. Izvještavaju o dnevnoj proizvodnji u razmjeru miliona postavki. Svaka faza procesa ima osoblje za kontrolu kvaliteta koje nadgleda kvalitet. Naglašavaju bogato iskustvo u SMT-u i lemljenju te stabilne rokove isporuke.
   ▪ Kažu da su servisirali hiljade elektroničkih kompanija. Njihov rad uključuje automobilsku i industrijsku kontrolnu elektroniku. Njihovi proizvodi se često šalju u Evropu i Sjevernu Ameriku, a kupci daju pozitivne povratne informacije o kvalitetu.
   ▪ Dostava na vrijeme: nakon prijema kompletnih ploča i dijelova, uobičajena dostava je 3–5 dana. Za male hitne serije može se organizovati istodnevna dostava.

2. Snažna popravka i postprodajna podrška.
   ▪ PHILIFAST tvrdi da ima iskusne inženjere za popravke koji mogu otkloniti mnoge nedostatke vezane za lemljenje i osigurati povezanost ploče.
   ▪ Nude korisničku podršku 24 sata dnevno kako bi brzo odgovorili na probleme s narudžbom.

Sažetak

SMT igra centralnu ulogu u modernoj proizvodnji elektronike. Prelazak sa kroz-rupa na površinsko montiranje promijenio je mnoge aspekte dizajna, izbora pasivnih i aktivnih komponenti i strategije proizvodnje. Napredne metode pakovanja poput WLP-a, 3DP-a i SiP-a pomjeraju granice onoga što paket može učiniti. Svaka metoda ima kompromise u pogledu veličine, performansi, troškova i složenosti procesa. SMT čini sklapanje bržim, gužšim i često jeftinijim. Ali SMT također povećava zahtjeve za kontrolu procesa i vještine popravka. PCBA dodaje vrijednost kombinovanjem sklapanja s nabavkom i testiranjem za rješenje na jednom mjestu.

Ako vam je potrebna SMT montaža, zapamtite da izbore paketa i procesa usklađujete s funkcijom, toplinom, mehaničkim opterećenjem i budžetom. Za malu i srednju serijsku proizvodnju, dobavljači koji nude snažnu kontrolu kvaliteta, fleksibilan rok isporuke i pouzdane usluge popravka mogu uštedjeti vrijeme i novac. Za sljedeće korake, dizajneri bi trebali pažljivo planirati veličine padova, otvore šablone, tolerancije postavljanja i profile refluksa. Dobra saradnja između dizajnera štampanih pločica, inženjera komponenti i ugovornog proizvođača osigurava bolji prinos pri prvom pokušaju i brže izlazak na tržište.