آشنایی با دستگاه های مونتاژ قطعات الکترونیک SMD

دستگاه مونتاژ SMD چیست ؟

اکنون که با قطعات SMD آشنا شده‌ایم، می‌توانیم دستگاه مونتاژ SMD را معرفی کنیم. هنگامی که شرکتی بخواهد تعداد زیادی PCB مونتاژ کند، قطعاً نمی‌تواند قطعات را به صورت دستی روی برد لحیم کند. این‌جاست که از یک دستگاه مونتاژ SMD حرفه‌ای استفاده می‌شود. دستگاه مونتاژ SMD مجموعه‌ای از تجهیزات است که عملیات مونتاژ و لحیم‌کاری قطعات را به صورت خودکار و طبق برنامه‌ای که به آن دستور می‌دهد، پیاده‌سازی می‌کند.

درک مراحل کار دستگاه مونتاژ SMD که قلب بسیاری از وسایل الکتریکی است، قطعاً جالب خواهد بود. در هر مرحله از روند مونتاژ، فکر زیادی انجام می‌شود تا یک برد کاملاً کارآمد تولید شود. با پیشرفت روزافزون علم الکترونیک، ماشین‌آلات مورد استفاده در دستگاه مونتاژ SMD همیشه بهتر و کاراتر از قبل شده‌اند.

مراحل نصب قطعات توسط دستگاه مونتاژ SMD

عملکرد دستگاه مونتاژ SMD با روش «فرونشینی» (Reflow) شامل چهار مرحله اصلی است: اضافه کردن خمیر لحیم، جایگذاری خودکار قطعات، لحیم‌کاری و بازرسی و تست (در صورت درخواست). تجهیزات اصلی مورد نیاز برای مونتاژ PCB شامل موارد زیر است:

• دستگاه چاپ خمیر لحیم‌کاری
• دستگاه بازرسی خمیر لحیم‌کاری (SPI)
• دستگاه چسب زن (DISPENCER)
• دستگاه قطعه گذار (Pick-and-Place)
• دستگاه لحیم‌کاری فرونشینی یا آون
• دستگاه لحیم‌کاری موجی (برای قطعات THT)
• دستگاه بازرسی چشمی خودکار (AOI)
• دستگاه تست در مدار (ICT)
• دستگاه تست اعتبارسنجی عملکردی (FVT)

در ادامه، مراحل نصب قطعات توسط دستگاه مونتاژ SMD را بیان می‌کنیم.

مرحله 1: اضافه کردن خمیر لحیم‌کاری

اضافه کردن خمیر لحیم‌کاری را می‌توان به دو بخش تقسیم کرد که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

1. دستگاه چاپ خمیر لحیم‌کاری

اولین مرحله در مونتاژ PCB اضافه کردن خمیر لحیم‌کاری روی برد است. خمیر لحیم‌کاری یک ماده چسبناک خاکستری است که از مخلوطی از ذرات ریز آلیاژهای فلز ساخته شده است. این فلزها معمولاً از قلع، سرب و نقره هستند. خمیر لحیم‌کاری را می‌توانید مانند چسبی تصور کنید که قطعات برد کامل شده را محکم نگه می دارد. بدون خمیر، قطعات سازنده مدار به برد خالی نمی‌چسبند.

قبل از استفاده از خمیر، یک استنسیل (شابلون) PCB روی برد قرار می‌گیرد. شابلون PCB یک ورق استیل ضدزنگ است که سوراخ‌هایی با برش‌های کوچک لیزری دارد و اجازه می‌دهد خمیر لحیم‌کاری فقط در مناطقی از برد (پدهای SMD) اعمال شود که در نهایت تماس قطعات روی PCB وجود دارد.

حین استفاده از خمیر لحیم‌کاری، شابلون PCB و خود PCB در جای خود در چاپگر خودکار خمیر قفل می‌شوند. یک تجهیر کاردک‌مانند خمیر لحیم بدون سرب را به مقدار دقیق روی پدها قرار می‌دهد. سپس دستگاه تیغه‌ای را روی شابلون می‌کشد تا خمیر را به طور مساوی در نواحی مورد نظر پخش کند. پس از برداشته شدن شابلون، خمیر لحیم‌کاری دقیقاً در همان جایی خواهد بود که مورد انتظار است.

2. دستگاه بازرسی خمیر لحیم‌کاری (SPI)

مطالعات صنعتی متعددی نشان داده‌اند که 70٪ از مسائل و مشکلات لحیم‌کاری SMD به چاپ نامناسب یا غیراستاندارد خمیر لحیم‌کاری برمی‌گردد. از این رو، گام بعدی این است که بررسی کنید آیا خمیر لحیم‌کاری به درستی روی برد چاپ شده است یا خیر. اگرچه استفاده از روش‌های مناسب چاپ خمیر لحیم‌کاری اغلب برای PCBها در حجم کم کافی است، اما برای جلوگیری از هزینه‌های مجدد، باید SPI را در هنگام تولید حجم بیشتر PCB در نظر گرفت.

دستگاه SPI با استفاده از دوربین‌هایی با قابلیت ضبط تصاویر سه‌بعدی، کیفیت خمیر لحیم‌کاری را از طریق عواملی مانند میزان لحیم‌کاری، تراز و ارتفاع آن ارزیابی می‌کند. سپس دستگاه به سرعت حجم‌های نامناسب لحیم‌کاری یا ترازبندی ناقص را شناسایی می‌کند و به کاربر دستگاه این امکان را می‌دهد تا به سرعت چاپ خمیر لحیم‌کاری نامناسب را متوقف کرده و مشکل را برطرف کند. در کنار بازرسی نوری خودکار، SPI تولیدکنندگان را قادر می‌سازد تا روند چاپ خمیر لحیم‌ را به طور مؤثری پایش و کنترل کنند. بنابراین هزینه‌های ناشی از کار مجدد کاهش یافته و تولید PCBهای با کیفیت افزایش می‌یابد.

مرحله 2: قطعه گذاری

این مرحله از عملکرد دستگاه مونتاژ SMD را می‌توان در دو گام خلاصه کرد.

1- مونتاژ بر روی چسب smd

1. 1دستگاه چسب زن

قبل از نصب قطعات، دستگاه چسب زن، روی بخش‌هایی از PCB که بدنه قطعات روی آن‌ قرار می‌گیرد، چسب اضافه می‌کند تا قطعات در جای خود محکم قزرار گیرند و سرها و اتصالات به خوبی لحیم شوند. این کار در لحیم‌کاری موجی که نیروی موج لحیم‌کاری ممکن است موجب جابه‌جایی قطعات بزرگ‌تر شود، یا در لحیم‌کاری موجی دوطرفه یا لحیم‌کاری فرونشینی برای جلوگیری از از دست رفتن قطعات مهم است.

2. 1 دستگاه قطعه گذار

دستگاه برداشت و گذاشت احتمالاً جالب‌ترین دستگاه در کل خط مونتاژ PCB است. همان‌طور که از نام آن پیداست، دستگاه برداشت و گذاشت قطعات را برداشته و روی برد خالی می‌گذارد. در گذشته، این مرحله از فرایند عملکرد دستگاه مونتاژ SMD با دست انجام می‌شد و تکنسین از ابزاری مانند موچین استفاده می‌کرد و با زحمت قطعات را انتخاب می‌کرد و در جای خود قرار می‌داد. اما خوشبختانه امروزه تولیدکنندگان PCB این مرحله را با استفاده از دستگاه برداشت و گذاشت به صورت خودکار انجام می‌دهند، زیرا ماشین‌آلات از انسان‌ها دقیق‌ترند و می‌توانند شبانه‌روزی کار کنند.

ماشین‌آلات قطعه گذاری، قطعات SMD را با مکش برمی‌دارند و آن‌ها را به طور دقیق در موقعیت‌های از قبل برنامه‌ریزی شده روی خمیر لحیم قرار می‌دهند. این عملیات با سرعت بسیار بالایی انجام شده و ماشین‌آلات به راحتی به سرعت نصب 30,000 قطعه در ساعت می‌رسند. از آنجا که دستگاه قطعات را به صورت منظم و سریع در جای خود قرار می‌دهد، مشاهده عملکرد آن جالب خواهد بود.

در مورد ریز بودن قطعات SMD در تصویر بالا اغراق نکرده‌ایم. تصویر زیر نمای نزدیک از دهانه دستگاهی است که قطعات را برمی‌دارد. بزرگنمایی تصویر ریز بودن قطعات را به خوبی نشان می‌دهد.

در تصویر زیر مقاومت‌های کوچک نصب سطحی (SMD)‌ نشان داده شده‌اند. البته قطعات SMD بسیاز کوچک‌تر از این تصویر نیز وجود دارد و دقیقاً به همین دلیل است که دستگاه‌های برداشت و گذاشت بسیار مؤثر و مهم هستند.

مرحله 3: لحیم‌کاری

این مرحله از فرایند عملکرد دستگاه مونتاژ‌ SMD در دو دستگاه قابل انجام است که آن‌ها را توضیح می‌دهیم.

دستگاه لحیم‌کاری بازنشینی

لحیم‌کاری بازنشینی (Reflow) پرکاربردترین روش لحیم‌کاری برای مونتاژ PCB است. هنگامی که همه قطعات روی برد قرار گرفتند، برد با یک نوار نقاله از یک اجاق بزرگ به نام دستگاه لحیم‌کاری بازنشینی عبور می‌کند. بردهای PCB تحت دمای دمای دقیق و کنترل شده حرکت می‌کنند، به طوری که خمیر لحیم ذوب شده و سپس سفت می‌شود و خود را می‌گیرد تا اتصالات الکتریکی قوی بین قطعات و برد ایجاد شود.

به طور خلاصه، نوار نقاله برد را هدایت می‌کند و خمیر لحیم‌کاری خشک، پیش‌گرم، ذوب، مرطوب و خنک می‌شود و قطعات به برد چاپ شده لحیم می‌شوند. قسمت اصلی لحیم‌کاری بازنشینی استفاده از منبع حرارتی خارجی برای گرم کردن است و به این ترتیب است که لحیم ذوب شده و اتصال قطعه و برد را برقرار می‌کند تا روند لحیم‌کاری برد مدار به خوبی انجام شود.

از مزایای لحیم‌کاری بازنشینی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• برای مونتاژهای دشوار مناسب‌تر است. لحیم‌کاری بازنشینی عمدتاً در لحیم‌کاری مونتاژ پچ SMT استفاده می‌شود، بنابراین می‌تواند نیازهای مونتاژ دشوار را بهتر برآورده کند. همچنین، قطعاتی مانند BGA و QFN فقط با لحیم‌کاری بازنشینی قابل مونتاژ هستند.
• لحیم‌کاری بازنشینی کیفیت اتصال بالایی را ایجاد می‌کند. در واقع، اجاق بازنشینی از هوای گرم برای بازنشینی، انتقال حرارت همرفتی، دمای یکنواخت، کیفیت لحیم‌کاری خوب و اثر لحیم‌کاری بسیار رضایت‌بخشی بهره می‌برد.
• برای تولید انبوه مناسب‌‌ است. بازده لحیم‌کاری بازنشینی بالا است. پس از تنظیم دما، می‌‌توان بی‌نهایت پارامتر لحیم‌کاری را کپی کرد، که برای تولید انبوه مزیتی قابل توجه است.

دستگاه لحیم‌کاری موجی

نام دستگاه‌های لحیم‌کاری موجی (Wave) از این واقعیت گرفته‌ شده که PCBها برای لحیم‌کاری قطعات باید از موجی از لحیم گداخته عبور کنند. در آغاز فرایند لحیم‌کاری موجی، یک لایه روغن لحیم (فلاکس) برای تمیز کردن تمام اتصالات و پدهای قطعات اعمال می‌شود تا اطمینان حاصل شود که لحیم چسبندگی و اتصال مناسب را داشته باشد. پس از استفاده از فلاکس، برد گرم می شود تا از شوک حرارتی جلوگیری شود. سرانجام، یک موج لحیم‌ از درون یک مخزن لحیم‌ ذوب‌شده شکل می‌گیرد و PCBها از روی آن عبور می‌کنند، به طوری که سطح زیرین بردها با موج لحیم تماس برقرار می‌کند و اتصال بین لبه‌های قطعات یا تماس با سوراخ‌ها و پدهای مربوطه برقرار می‌شود.

با این حال، در حال حاضر لحیم‌کاری موجی در مقایسه با لحیم‌کاری بازنشینی، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا لحیم‌کاری بردهای دارای قطعات SMD به روش بازنشینی بسیار مؤثرتر است. در نتیجه، لحیم‌کاری موجی و اخیراً روش‌های لحیم‌کاری موجی انتخابی برای مونتاژ قطعات سوراخ‌کامل (THT) به کار می‌رود.

لحیم‌کاری موجی نیز دارای مزایای منحصر به فردی است:

• برد تماس کمی در زمان لحیم‌کاری در دمای بالا دارد که می‌تواند باعث کاهش تأثیرپذیری برد مدار شود.
• فعالیت کافی لحیم‌ دستگاه لحیم‌کاری موجی منجر به بهبود کیفیت اتصالات لحیم‌کاری می‌شود.

مرحله 4: بازرسی

در این مرحله از عملکرد دستگاه مونتاژ SMD ، بازرسی مدار مونتاژشده در سه بخش انجام می‌شود که در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

دستگاه چک چشمی مکانیزه (AOI)

اکنون که بردها کاملاً مونتاژ شده‌اند، بازرسی و تست آن‌ها انجام می‌شود. با افزایش پیچیدگی بردهای PCB، بازرسی چک چشمی خودکار بیش از هر زمان دیگری مهم است. هرچند گاهی می‌توان با چشم غیرمسلح برخی نقایص و اشتباهات را تشخیص داد، اما بازرسی به این شکل برای تولید انبوه مؤثر نیست. دلیل این امر این است که کاربرها خیلی زود خسته می‌شوند و اشتباهات به راحتی نادیده گرفته می‌شوند. تست «مونتاژ PCB» یا به اختصار PCBA برای جلوگیری از هزینه‌های مجدد ساخت و اتلاف مواد، گامی اساسی در ساخت PCBA است. سیستم‌های AOI برای شناسایی ایرادهای مراحل اولیه تولید و اجازه اصلاح فرایندها یا اصلاح بردها به کار گرفته می‌شوند.

سیستم‌های AOI با استفاده از روش‌های نوری برای تشخیص نقص می‌توانند بررسی‌هایی را که قبلاً توسط کاربر انجام می‌شد، با سرعت و دقت بسیار بیشتری انجام دهند. دستگاه AOI با استفاده از دوربین‌های با کیفیت بالا از سطح برد تصویر می‌گیرد که از آن برای تجزیه و تحلیل استفاده می‌شود.

تصویرِ ثبت‌شده با تصاویر یک صفحه مرجع صحیح مقایسه می‌شود تا خرابی‌های مختلف قطعات شناسایی شود.

تست در مدار (ICT)

تست در مدار (ICT) با استفاده از بستر یا سطح میخ‌دار یکی از روش‌های شناخته شده برای تست سریع عملکرد PCB با قطعات زیاد است.

در واقع، دستگاه تست از آرایه‌ای از «پینِ پوگو» (Pogo pin) ساخته شده است که به گونه‌ای در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند تا هر پین با یک گره از مدار PCB تماس داشته باشد. هر برد کامل روی این سطح قرار گرفته و به پایین فشار داده می‌شود و با صدها نقطه تست روی PCB به سرعت تماس برقرار می‌کند. از طریق این نقاط تست، دستگاه می‌تواند به سرعت سیگنال‌های تست را به داخل و خارج PCBها منتقل کند‌ تا عملکرد مدار را ارزیابی کرده و قطعی‌ها یا اتصالات الکتریکی ناخواسته را تشخیص دهد.

لحلم‌کاری‌ PCBAهایی که روی سطح میخ‌دار تست شده‌اند، به دلیل نوکِ تیز پین‌ها، ممکن است کمی تغییر ظاهری داشته باشد. در این مواقع نگرانی وجود ندارد. اتفاقاً اگر فرورفتگی‌های ریزی را روی اتصالات لحیم مشاهده کردید، نشانه خوبی است، زیرا به این معنی است که تولیدکننده برد آزمایش‌های لازم را انجام داده و از صحت مونتاژ آن اطمینان حاصل کرده است.

تست اعتبارسنجی عملکردی (FVT)

تست اعتبار سنجی عملکردی (FVT) آخرین مرحله‌ای است که در آن صحت مونتاژ PCB بررسی می‌شود. در این تست، دیگر فقط نقایص فیزیکی مانند اتصال کوتاه یا خرابی‌ها بررسی نمی‌شود. در عوض، نرم‌افزار بارگیری شده و مدار به گونه‌ای تست می‌شود که به این پرسش پاسخ داده شود که آیا در صورتی که در عمل مورد استفاده مشتریان قرار گیرد، آن‌طور که مورد انتظار است کار می‌کند یا خیر

تست اعتبارسنجی عملکردی محیط عملیاتی نهایی را که PCB در آن قرار می‌گیرد، شبیه‌سازی می‌کند و مشخص است که این کار معمولاً با تست‌هایی که در بخش‌های قبل بیان کردیم، تفاوت دارد. تست عملکردی از یک محصول به محصول دیگر متفاوت است، زیرا هر PCB تست‌شده منحصر به فرد است. رایج‌ترین شکل تست عملکردی “hot mock-ups” است، که برای شبیه‌سازی محصول نهایی که در آن PCB به کار می‌رود، پیکربندی می‌شود. صرف‌نظر از نحوه سفارشی‌سازی FVT، در فرایند تست اعتبارسنجی از دستگاه (سخت‌افزار و نرم‌افزار) مشترکی استفاده می‌شود.