SMT-Prosessi

Uuden tuotteen tuotantoon viemisessä ensimmäinen ja usein yllättävän työläs osuus muodostuu toimistotöistä.

Kuka pystyisi toimittamaan näitä liittimiä meille alkuviikoksi?
Tuleeko tuo diodi varmasti oikein päin?
Mikä on tämän IC:n suurin sallittu juotoslämpötila?
Tarvitaanko tämän kytkimen poimimiseen erikoistyökalu?
Vastaako Yageo CC0603KRX5R6BB105 asiakkaan tarpeeseen 1 uF konkasta?

Tärkeintä on, että dokumentit ovat mahdollisimman yksiselitteiset ja selkeät.

Takaisin alkuun

Ladonta-aihio (näkkäri)

Ladonta-aihio muodostuu yleensä useammasta vierekkäin asetellusta piirilevystä ja niiden ympäri kiertävästä kehyksestä. Paneloinnin tarkoituksena on:

  • Reunusten avulla mahdollistaa aihioiden automaattinen käsittely ja estää komponenttien kolhiintuminen räkeissä ja piirilevytelineissä.
  • Toimia toissijaisena paikkana kohdistusmerkeille, jos niitä ei ole itse piirilevyissä
  • Jos yksi levy olisi liian pieni, täyttää kuljettimen minimikokovaatimus
  • Jos yhdellä levyllä on vain vähän komponentteja, nostaa ladontavaiheen kuormitusaste järkeväksi
  • Suuremmissa valmistusmäärissä nopeuttaa testauksen läpimenoa, kun useampi levy voidaan testata kerralla.

Näkkärin osat on yleensä erotettu toisistaan jyrsimällä, ja niiden välille on jätetty kannakset. Loppukokoonpanossa kannakset katkaistaan ja levyt irrotetaan aihiosta. Jos komponentit on sijoiteltu piirilevylle niin että se täyttää reunavaatimukset sellaisenaan, erillisiä reunoja ei välttämättä tarvita (esim. myöhemmin tällä sivulla näkyvä levy).

Takaisin alkuun

Juotospastan paino

Juotospasta painetaan piirilevylle stensiilin avulla, joka on useimmiten laserleikattu 100-120 um paksusta ruostumattomasta teräksestä.

Kiinteästi liimatun alumiinikehyksen sijaan käytämme vaihtokehysjärjestelmää, jossa stensiili pingotetaan reunoissa olevien reikien avulla paineilmakäyttöiseen kehykseen käytön ajaksi. Menetelmä säästää paitsi kehystyskustannuksilta myös erityisesti varastotilaa.

Stensiilin tarkka kohdistus painettavaan piirilevyyn tapahtuu konenäön avulla. Tätä varten stensiilin alapinnassa ja piirilevyn yläpinnassa on kohdistuspisteet. Kohdistuspiste on yleensä 1,0 mm halkaisijaltaan oleva pyöreä täplä.

Painoprosessin aluksi kuljetin tuo tyhjän piirilevyn koneeseen, ja lukitsee sen paikoilleen suurin piirtein oikeaan kohtaan.

Stensiilin ja piirilevyn välillä on vielä tässä vaiheessa useamman sentin rako. Konenäön kamera käy kuvaamassa kohdistuspisteet stensiilin ja piirilevyn välissä. Kamerassa on erikoisoptiikka, joka jakaa kuva-alan ylös- ja alaspäin osoittaviin osiin. Näin kameran sijainnin virhetermi kumoutuu pois stensiilin kohdistusta laskettaessa. Piirilevyn ja stensiilin pinnan valaisun voimakkuus ja tulosuunta ovat säädettävissä materiaalien mukaan hyvän kontrastin saavuttamiseksi.

Kohdistuspisteiden sijaintien mukaan painokone laskee tarvittavat korjausarvot, ja stensiilin asemaa (X, Y ja kulma) hienosäädetään niin että aukot osuvat juuri piirilevyn johdinkuvion kohdalle. Stensiili lukitaan tarkasti paikalleen, ja piirilevy nostetaan kiinni sen alapintaan.

Juotospasta painetaan raakkelin avulla stensiilin reikiin. Pastan viskositeetti sekä painoterän nopeus ja kontaktikulma synnyttävät paineen, jonka avulla pasta tunkeutuu pieniinkin avauksiin. Haluttu raakkelin kulkunopeus ja pystysuuntainen voima asetetaan ohjelmallisesti. Parametreja seurataan jatkuvasti servojen ja voima-anturin kautta, ja mahdollisista poikkeamista tulee heti ilmoitus operaattorille.

Piirilevy irrotetaan stensiilistä sopivalla nopeudella. Stensiilin avauksiin painettu pasta leikkautuu irti avausten seinämistä, ja siirtyy eteenpäin piirilevyn mukana.

Takaisin alkuun

Ladonta

Koneladottavat komponentit on yleensä pakattu kelalla olevaan nauhaan. Nauhan taskuissa olevia komponentteja suojaa muovikalvo, joka kelataan pois ennen komponenttien poimintaa. Ennen käyttöä komponenttinauhat pujotetaan syöttölaitteisiin, jotka ohjaavat nauhan kulkua ja liikuttavat sitä eteenpäin. Nauhojen leveys ja askelluspituus vaihtelee komponenteittain.

Syöttölaitteiden rakenne ei ole ihan yksinkertainen, koska aikaa nauhan siirtämiseen seuraavan komponentin kohdalle kuluu alle 60 ms. Nauhan pitää liikkua tasaisesti, jotta suojaamattomat kevyet komponentit pysyvät nauhan taskuissa. Toisaalta liiketarkkuuden pitää olla hyvä, jotta poimintatyökalu osuu pienienkin komponenttien keskelle.

Komponentit poimitaan nauhasta alipaineen avulla. Paineen suuruutta mittaamalla nähdään että poiminta onnistui, ja toisaalta varmistetaan että komponentti on pysynyt mukana kyydissä levylle asettamiseen saakka.

Erikokoisten ja -muotoisten komponenttien poimimiseen on omat työkalunsa. Työkalun on oltava riittävän pieni, ettei komponentti katoa sen sisään, mutta toisaalta riittävän suuri tuottamaan kiinnipitämiseen tarvittava voima. Optimointiohjelmisto laskee työn komponenttien kokojakauman ja selvittää suurimman ladontanopeuden tuottavan työkaluyhdistelmän.

Poimittaessa komponentti nauhan taskusta sen sijainti tiedetään vain likimain. Ennen levylle latomista jokaisen komponentin tarkka asema poimintatyökaluun nähden pitää selvittää, jotta sen jalat saadaan osumaan tarkasti piirilevyn juotospisteisiin. Tämä edellyttää tietysti että myös piirilevyn sijainti koneessa tunnetaan. Tähän käytetään omaa alaspäin kuvaavaa kameraansa ja samoja kohdistuspisteitä, joilla myös pastastensiili asemoitiin.

Optisessa keskityksessä poimintatyökalussa kiinni olevasta komponentista otettua kuvaa verrataan ladontakoneen komponenttikirjastossa olevaan kotelotyypin synteettiseen malliin. Kuvasta mitataan komponentin jalkojen lukumäärä, leveys, pituus ja keskinäinen asema. Jos tulokset osuvat toleranssien sisään, komponentin asemalle lasketaan korjausarvot (X, Y ja kulma), jotka otetaan huomioon komponenttia piirilevylle ladottaessa. Jos komponentti on jotenkin virheellinen, esim. se on tarttunut poimintatyökaluun väärässä asennossa tai joku jaloista on vääntynyt, se hylätään.

Seuraavassa kuvassa sama piiri onkin jo käännetty suoraan, ja se on menossa piirilevylle parin vastuksen jälkeen. Vastuksien ja muiden palakomponenttien keskitys tapahtuu samalla tavalla, pienestä jalkamäärästä johtuen mitattavia parametreja on vain vähemmän.

Suuret IC-piirit ja muut suurikokoiset komponentit kuten liittimet ja suojakotelot ladotaan levylle viimeisenä omalla ladontapäällään. Tässä TQFP-koteloinen IC kohdistuskameran kuvattavana, ja konenäön näkemys otetusta kuvasta.

Ladontakoneesta tullut piirilevy komponentteineen on nyt kuljettimella. Komponentit on painettu kiinni pastaan, joka pitää ne paikoillaan ladonnan ja reflow-juotoksen välisen ajan. Ladonnassa käytettävä painamisvoima on asetettavissa komponenttityypeittäin, ja ladontakoneen servojärjestelmä pitää sen vakiona, vaikka piirilevyn pinta ei olisikaan aivan tasainen.

Tyhjät komponenttinauhat poistuvat ladontakoneesta helposti käsiteltävänä silppuna.

Takaisin alkuun

Juotos

Reflow-uunin kuljetin muodostuu pienistä tapeista, jotka kannattelevat piirilevyä reunoista juotoksen ajan. Piirilevyn alapinta jää vapaaksi, mikä mahdollistaa kaksipuolisesti kalustettujen piirilevyjen juottamisen.

Juotosprosessin aikana piirilevy kulkee uunin eri lämpötiloihin säädettyjen lämmitysvyöhykkeiden läpi, jolloin sen lämpötila saadaan seuraamaan juotospastan valmistajan suositusten mukaista lämpötilakäyrää. Esilämmityksen aikana pastan juoksute puhdistaa juotettavat pinnat, ja siinä olevat liuotinaineet haihtuvat. Varsinainen juotos tapahtuu lämpötilan ylittäessä juotteen sulamispisteen. Lämpötilan on oltava riittävän korkea, jotta juottuminen tapahtuu luotettavasti, mutta kuitenkin riittävän matala, jotta komponentit eivät vaurioidu.

Juotoksen jälkeen piirilevy jäähdytetään tehokkaasti mutta hallitusti lähelle huoneenlämpöä. Uunin ilmavirtausten ja lämmityselementtien lämpötiloja seurataan jatkuvasti, ja ladottujen levyjen kulku uuniin estyy heti, jos arvoissa on poikkeamia.

Yhdeltä puolelta kalustettu piirilevy jatkaa nyt matkaansa tarkastukseen ja käsinladontaan. Jos pintaliitoskomponentteja tulee levyn molemmille puolille, levy käännetään, stensiili ja ladontaohjelma vaihdetaan, ja kaikki prosessivaiheet suoritetaan uudelleen pastan painosta alkaen.

Takaisin alkuun