SMT-montering

SMT (overflademonteringsteknologi)

I takt med den teknologiske udvikling er chipindkapslingen verden over gået fra gennemgående komponenter med dual inline-ben til overflademonterede pakker. I dag skal vi tale om overflademonteringsteknologi, også kaldet SMT. SMT er den mest udbredte monteringsmetode inden for moderne elektronik.

SMT står for Surface Mount Technology. Man kalder det også overflademontering eller overflademonteringssamling. Det er en række processer, der anvendes ved samling af elektronik. Ved SMT placeres komponenter, der ikke har lange ben eller kun har korte ben, på overfladen af et printkort eller andre underlag. Disse komponenter kaldes normalt SMC eller SMD, hvilket betyder overflademonterede komponenter. SMT-komponenter loddes fast på printkortet ved hjælp af metoder som reflow-lodning eller bølgelodning. Dette danner en komplet kredsløbssamling.

Sammenlignet med ældre emballagetyper stiller SMT større krav til chipemballagen. Blandt de avancerede emballagetyper, der findes i dag, kan nævnes wafer level packaging (WLP), tredimensionel emballage (3DP) og system-in-package (SiP). Disse typer kræver strengere proceskontrol, snævrere tolerancer og mere avancerede produktionskompetencer.

Hvad er Wafer Level Packaging (WLP)?

Wafer Level Packaging, også kaldet WLP, er en avanceret emballeringsmetode. WLP har oplevet en hurtig vækst i de seneste år. Man anvender den, fordi den muliggør små emballager, sikrer god elektrisk ydeevne, fremmer varmeafledningen og sænker omkostningerne.

WLP adskiller sig fra traditionel emballering, fordi emballeringsprocessen foregår, mens chipsene stadig sidder på waferen. Der kan påføres et beskyttende lag på enten oversiden eller undersiden af waferen. Derefter etableres I/O-forbindelserne. Herefter skæres waferen op i individuelle chips.

WLP har flere klare fordele i forhold til ældre metoder.

1. Lille pakkestørrelse.
   Da WLP ikke kræver trådbindinger, kontaktflader eller en plastform, behøver kapslingen ikke at rage ud over chippen. Derfor er WLP-kapslingens størrelse næsten den samme som chipstørrelsen.

2. Høj datahastighed.
   WLP anvender normalt kortere forbindelser end traditionelle wire-bond-komponenter. Når systemet kræver høj hastighed eller høj frekvens, giver de kortere forbindelser en bedre signalydelse.

3. Høj forbindelsestæthed.
   WLP kan anvende forbindelser i form af arealarrayer, ikke kun kantforbindelser. Dette giver designerne mulighed for at placere langt flere forbindelser pr. arealenhed mellem chippen og printkortet.

4. Kortere produktionscyklus.
   Da emballeringen foregår på wafer-niveau, er processen fra fremstilling af chippen til den færdigpakkede komponent enklere. Dette reducerer antallet af processtrin og forkorter leveringstiden.

5. Lavere procesomkostninger.
   WLP udfører pakning og testning på wafer-niveau og drager fordel af batch-behandling. Omkostningerne pr. enhed kan falde, når der er plads til flere gode chips på hver wafer. Tendenser som mindre chipstørrelser og større waferdiametre medfører ligeledes lavere omkostninger pr. enhed. WLP udnytter værktøjerne til waferfremstilling fuldt ud, hvorfor kapitalomkostningerne pr. pakket enhed generelt er lavere.

I dag anvendes WLP i vid udstrækning i komponenter som flashhukommelse, EEPROM, højhastigheds-DRAM, SRAM, LCD-drivere, RF-enheder, logikchips, strømstyringschips og mange analoge enheder, såsom regulatorer, temperatursensorer, controllere, operationsforstærkere og effektforstærkere.

Hvad er tredimensionel emballage (3DP)?

Tredimensionel emballering, også kaldet 3DP, er en stabelteknik. Den omfatter blandt andet CIS-billedsensorer, MEMS-pakker og standardkomponentpakker. Idéen er at stable to eller flere chips lodret inde i én pakke uden at ændre pakkens grundflade. På denne måde kan designere skabe større systemfunktioner og bedre ydeevne inden for en enkelt pakke. 3D-pakning begyndte med stablede flashhukommelser (NOR, NAND) og stablet SDRAM.

Blandt de vigtigste egenskaber ved 3DP er multifunktionsintegration og høj ydeevne. Teknologien tilbyder desuden stor kapacitet og høj tæthed. Ydeevnen pr. volumenhed stiger markant, hvilket kan medføre lavere omkostninger i visse anvendelser.

Hvad er System-in-Package (SiP)?

System-in-Package, eller SiP, integrerer mange forskellige funktionelle chips i én enkelt pakke. Det kan omfatte processorer, hukommelse og andre komponenter. En SiP-enhed består af flere chips i lagdelte strukturer. Pakken fungerer som et lille system eller undersystem. SiP sigter mod højere ydeevne, flere funktioner og hurtigere databehandling. Samtidig reducerer SiP den plads, som komponenterne optager inde i et produkt. Dette er en vej mod det, man kalder et konvergent system.

SiP har to centrale kendetegn:

1. Det samler chips med forskellige fremstillingsteknologier og forskellige funktioner i én enkelt pakke. Dette gør det muligt for den færdige komponent at fungere som et kraftfuldt systemmodul.

2. Det flytter de separate komponenter, der tidligere sad på printkortet, ind i en flerlags integreret struktur inde i pakken. Dette gør det færdige system betydeligt mindre.

Emballagen har to hovedfunktioner. For det første forbinder den chipens indre komponenter med det udvendige kredsløb. For det andet beskytter den chippen og dens forbindelser. Disse tre avancerede emballeringsmetoder har hver især deres egne styrker. De passer til forskellige anvendelsesbehov. Selvom de endnu ikke er udbredt overalt, peger de mod fremtiden. Tiden vil vise, hvilken metode der bliver den mest udbredte.

Forskelle mellem PCB, SMT og PCBA

En kort og overskuelig vejledning er en hjælp, når folk forveksler disse begreber.

1. PCB betyder printplade. Det er den ubearbejdede plade, der anvendes i SMT-processen. En printplade er et halvfabrikat.

2. SMT betyder »Surface Mount Technology«. Det er den proces, hvor komponenter monteres på printkortet. SMT er i dag den mest udbredte monteringsproces.

3. PCBA betyder samling af printkort. PCBA omfatter SMT samt yderligere tjenester. PCBA omfatter indkøb af komponenter, test og endelig samling. Det er en one-stop-servicemodel for kunden. PCBA viser retningen for udviklingen af fabriksservice.

For et færdigt elektronisk produkt forløber processen normalt således: PCB → SMT → PCBA. Produktionen af printkort indebærer mange komplekse trin. SMT er til sammenligning relativt enkel. PCBA har til formål at tilbyde en samlet løsning fra start til slut.

SMT-overflademonteringsproces

1. Forberedelse før samling: Forberedelse af loddepunkter

Inden samling skal alle loddepuder, der skal bære overflademonterede komponenter, være flade og rene. Disse loddepuder er de steder, hvor loddetin, sølvbelægning eller guldbelægning påføres. De har ingen gennemgående huller. Man kalder disse elementer for loddepuder.

2. Påføring af loddepasta

Loddepasta er en klæbrig blanding af metalpulver og flux. Det metal, der tidligere blev brugt i mange loddepastaer, var tin-bly. I dag anvender mange fabrikker blyfri legeringer. En loddepastaprinter bruger en skabelon af rustfrit stål eller nikkelstål til at påføre loddepasta på loddepunkterne. Påføringen kan også foregå ved hjælp af jetdispensering, som ligner inkjet-udskrivning.

3. Pick-and-Place-udstyr til komponenter

Efter påføring af loddepasta føres printkortet videre til pick-and-place-maskinerne på et transportbånd. Printkortet justeres og venter på komponenterne. De komponenter, der skal placeres, befinder sig normalt i rør af papir eller plast. En føder indlæser disse komponenter i SMT-pick-and-place-maskinen. Større IC'er transporteres i antistatiske bakker. Pick-and-place-maskinen tager en komponent fra båndet eller bakken og placerer den på loddepastaen på printkortet. Loddepastaens klæbeevne holder komponenten på plads.

4. Reflow-lodning: Behandling i ovn

Derefter sendes printkortet videre til reflow-ovnen. En reflow-ovn har først en forvarmningszone. Printkortet og komponenterne varmes langsomt op. Derefter føres printkortet videre til en zone med høj temperatur. Loddepastaen smelter og binder loddepunkterne til komponenterne. Overfladespændingen i det smeltede lodde hjælper med at holde komponenterne på plads. Overfladespændingen kan også trække komponenter, der er let forskudt, tilbage til deres korrekte positioner.

5. Almindelige metoder til reflow-lodning

Der findes mange reflow-metoder. Den ene anvender infrarøde lamper og kaldes infrarød reflow. En anden anvender varmluftkonvektion. En populær metode anvendte tidligere en særlig fluorcarbonvæske med højt kogepunkt. Denne metode kaldes dampfase-reflow. Efter indførelsen af regler om blyfrihed og på grund af miljøhensyn har mange fabrikker reduceret brugen af fluorcarboner. Indtil omkring 2008 var reflow med luft- eller nitrogenkonvektion almindeligt. Hver metode har sine fordele og ulemper. Ved brug af infrarødt lys skal printkortets design sikre, at korte komponenter ikke skygger for højere komponenter. Men hvis processen anvender reflow i dampfase eller konvektion, er komponenternes placering måske ikke så afgørende.

6. Manuel lodning af specielle komponenter

Under reflow-fasen kræver visse usædvanlige eller varmefølsomme komponenter manuel lodning. Ved større manuelle opgaver anvendes infrarøde eller konvektionsbaserede værktøjer til at gennemføre reflow-lodningen af disse komponenter.

7. Fremstilling af dobbeltsidede printplader

Hvis printpladen er dobbeltsidet, gentages trykningen, placeringen og reflow-processen for den anden side. Man bruger ofte loddepasta eller rødt lim til at fastgøre komponenterne. Hvis der senere skal foretages bølgelodning, holder limen delene på plads under bølgeprocessen, så de ikke falder af, når de udsættes for smeltet lodde.

8. Rengøring efter lodning

Efter lodningen kan printkortet rengøres for at fjerne fluxrester og loddekugler, der kan forårsage kortslutninger. Harpiksflux kan fjernes med fluorcarbonopløsningsmidler, kulbrinteopløsningsmidler med højt flammepunkt eller opløsningsmidler med lavt flammepunkt, såsom citrusbaserede rengøringsmidler. Vandopløselige fluxmidler skylles væk med deioniseret vand og rengøringsopløsninger og tørres derefter med luftknive for hurtigt at fjerne overfladevand. Mange SMT-produktionslinjer bruger dog nu no-clean-flux. No-clean-flux efterlader rester på printkortet. Dette sparer rengøringsomkostninger, forbedrer gennemløbet og reducerer affaldsmængden.

9. Rengøringsstandarder for SMT (IPC-krav)

Visse SMT-produktionsstandarder, såsom dem fra IPC (Association Connecting Electronics Industries), kræver specifikke rengøringsniveauer for at sikre printkortets renhed. Selv rester af »no-clean«-flux skal i visse tilfælde fjernes i henhold til IPC-reglerne. Korrekt rengøring kan fjerne flux, der er usynlig for det blotte øje, sammen med andet snavs og forurening. Ikke alle fabrikker følger IPC-reglerne eller oplyser, at de overholder IPC-kravene. I praksis anvender mange producenter standarder, der er endnu strengere end IPC's.

10. Afsluttende kontrol og omarbejde

Til sidst gennemgår printkortet en visuel inspektion for at kontrollere, om der mangler dele, om det er vendt forkert, om der er kolde loddeforbindelser, loddebroer og så videre. Hvis printkortene ikke består kontrollen, sendes de til reparationsstationer med henblik på omarbejdning. Almindelige test omfatter ICT (in-circuit test) eller FCT (functional circuit test). Reparationerne fortsætter, indtil printkortet fungerer som tiltænkt.

Fordelene ved SMT

SMT har mange fordele i forhold til ældre gennemgående komponenter.

1. Mindre komponenter. I 2012 var de gængse små størrelser nået op på 0,4 × 0,2 mm (01005). Tendensen går i retning af endnu mindre komponenter.

2. Højere komponenttæthed. Der kan være flere komponenter på et givet areal, og hver komponent kan have flere tilslutninger.

3. Højere tæthed af forbindelser. SMT understøtter flere forbindelser pr. areal end gennemgående huller.

4. Lavere omkostninger og hurtigere opstart af produktionen. SMT-linjer kan være hurtige og omkostningseffektive.

5. Færre fejl i konstruktion og fremstilling af printkort. Færre borede huller mindsker omkostningerne og kompleksiteten ved printkort.

6. En hurtigere ansættelsesproces. SMT-montering foregår automatisk og hurtigt.

7. Selvjustering af komponenter. Overfladespændingen under reflow-processen kan udligne små forskydninger i placeringen.

8. Komponenterne kan placeres både på oversiden og undersiden af printkortet. Dette øger det anvendelige areal.

9. Lavere parasitisk modstand og induktans. Dette mindsker problemer med RF-signalet.

10. Bedre mekanisk ydeevne ved vibrationer og fald. SMT-komponenter tåler ofte stød bedre end store gennemgående komponenter.

11. Mange SMT-komponenter er billigere end de tilsvarende gennemgående komponenter.

12. Forbedret EMC-ydeevne. Mindre sløjfearealer reducerer den elektromagnetiske stråling.

Ulemper ved SMT

SMT har også nogle ulemper.

1. Den mindre størrelse og det tætte mønster gør manuel reparation vanskeligere. Der er behov for dygtige operatører og dyre værktøjer til efterbearbejdning.

2. SMD-komponenter er ikke »plug-and-play« til prototypebrætter. Til hurtige testopsætninger skal du bruge et specialfremstillet printkort eller lodde SMD-komponenter på adapterkort.

3. Loddeforbindelser kan blive beskadiget ved termiske cyklusser. Nogle fejl i loddeforbindelser skyldes gentagne temperaturændringer.

4. En finere deling og mindre samlinger kræver større præcision i fremstillingsprocessen. I SMT-processen skal placering og lodning kontrolleres nøje.

5. SMT er ikke egnet til store komponenter med høj effekt og høj spænding. For eksempel anvendes der ofte stadig gennemgående huller i store transformere i strømforsyninger. Mange printkort benytter en blandet løsning: SMT til de fleste komponenter og gennemgående huller til store effektkomponenter.

6. SMT kan være et uegnet valg i situationer, hvor der ofte forekommer mekanisk belastning. Stik, der ofte sættes i og tages ud, kan belaste loddeforbindelserne. I sådanne tilfælde er det almindeligt at anvende gennemgående huller eller forstærket montering.

PHILIFASTs SMT-kapaciteter

Nedenfor er de SMT-kapaciteter, som PHILIFAST angiver:

1. Maksimal printstørrelse til SMT: 310 mm × 410 mm.

2. Maksimal pladetykkelse: 3,0 mm.

3. Mindste pladetykkelse: 0,5 mm.

4. De mindste understøttede chip-komponenter: 0201-pakke eller komponenter, der er større end 0,6 mm × 0,3 mm.

5. Maksimal komponentvægt ved placering: 150 g.

6. Maksimal emnehøjde: 25 mm.

7. Maksimal delstørrelse: 150 mm × 150 mm.

8. Mindste afstand mellem ledninger på dele med ledninger: 0,3 mm.

9. Mindste understøttede BGA-afstand: 0,3 mm.

10. Mindste understøttede BGA-kuglediameter: 0,3 mm.

11. Maksimal placeringsnøjagtighed for en 100 QFP: 25 μm i henhold til IPC-standarden.

Hvorfor vælge PHILIFAST til SMT-montering

1. Styrke og kapacitet.
   ▪ SMT-værksted: PHILIFAST har importeret pick-and-place-maskiner og adskillige optiske inspektionsanlæg. Virksomheden oplyser, at den daglige produktion ligger i millionklassen. Hvert trin i processen overvåges af kvalitetskontrolpersonale. Virksomheden fremhæver sin store erfaring inden for SMT og lodning samt stabile leveringstider.
   ▪ De oplyser, at de har leveret til tusindvis af elektronikvirksomheder. Deres arbejde omfatter blandt andet styrekort til bilindustrien og industrien. Deres produkter sendes ofte til Europa og Nordamerika, og kunderne giver positive tilbagemeldinger om kvaliteten.
   ▪ Levering til tiden: Efter modtagelse af komplette printkort og komponenter er den normale leveringstid 3–5 dage. Ved små, hasteordrer kan der arrangeres afsendelse samme dag.

2. Solid service og kundesupport.
   ▪ PHILIFAST har erfarne reparatører, der kan udbedre mange lodningsrelaterede fejl og sikre, at kredsløbskortet fungerer korrekt.
   ▪ De tilbyder kundeservice døgnet rundt for hurtigt at kunne reagere på problemer med ordrer.

Sammenfatning

SMT spiller en central rolle i den moderne elektronikproduktion. Overgangen fra gennemgående huller til overflademontering har ændret mange aspekter af design, valg af passive og aktive komponenter samt produktionsstrategien. Avancerede emballeringsmetoder som WLP, 3DP og SiP udvider grænserne for, hvad en emballage kan præstere. Hver metode indebærer afvejninger mellem størrelse, ydeevne, omkostninger og proceskompleksitet. SMT gør samlingen hurtigere, mere kompakt og ofte billigere. Men SMT stiller også større krav til proceskontrol og reparationsfærdigheder. PCBA tilfører værdi ved at kombinere samling med indkøb og testning i en samlet løsning.

Hvis du har brug for SMT-montering, skal du huske at tilpasse valg af pakningstyper og processer til funktion, varme, mekanisk belastning og budget. Ved produktion i små og mellemstore mængder kan leverandører, der tilbyder stærk kvalitetskontrol, fleksible leveringstider og pålidelige reparationsydelser, spare tid og omkostninger. Som næste skridt bør designere nøje planlægge padstørrelser, stencilåbninger, placeringstolerancer og reflow-profiler. Et godt samarbejde mellem PCB-designere, komponentingeniører og kontraktproducenten sikrer et bedre udbytte ved første gennemløb og en hurtigere markedsføringstid.