อะไรทำให้การประกอบ SMT เป็นตัวเลือกที่นิยมสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่?

บทนำ: ทำไม SMT จึงเป็นตัวเลือกที่นิยมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

โลกของการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ได้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา หัวใจสำคัญของวิวัฒนาการนี้คือ Surface Mount Technology (SMT) กระบวนการที่ขับเคลื่อนการลดขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และทำให้ประสิทธิภาพการทำงานสูงขึ้นในระดับที่เคยจินตนาการไม่ได้มาก่อน

ปัจจัยหลักที่ผลักดันการใช้งาน SMT

• ความต้องการอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัด: อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่—เช่น สมาร์ทโฟน สมาร์ทวอทช์ และเครื่องช่วยฟัง—ต้องการวงจรที่บรรจุอย่างหนาแน่น เพื่อส่งมอบประสิทธิภาพสูงในรูปแบบที่เล็กลง
• ประสิทธิภาพของสายการผลิต: ความต้องการการผลิตที่รวดเร็ว น่าเชื่อถือ และสามารถขยายขนาดได้ ทำให้ผู้ผลิตหันไปใช้การประกอบแผงวงจรพิมพ์แบบอัตโนมัติ
• ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น: SMT ช่วยให้สามารถรวมฟังก์ชันต่างๆ ได้มากขึ้นต่อหนึ่งตารางเซนติเมตร ปฏิวัติการออกแบบ PCB และขยายขีดความสามารถของอุปกรณ์
• แรงกดดันด้านต้นทุน: การแข่งขันระดับโลกและความคาดหวังของผู้บริโภคต่อเทคโนโลยีในราคาที่จับต้องได้ ทำให้การลดต้นทุนในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นสิ่งสำคัญอันดับต้น ๆ

เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว (SMT) คืออะไร?

Surface Mount Technology (SMT) เป็นวิธีการสมัยใหม่ที่ใช้สำหรับการติดตั้งและบัดกรีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์โดยตรงลงบนพื้นผิวของ บอร์ดวงจรพิมพ์ (PCB) . ต่างจากเทคนิคแบบดั้งเดิมที่ต้องเสียบขาของชิ้นส่วนผ่านรูในแผงวงจรพิมพ์ SMT ช่วยให้สามารถ วางตำแหน่งได้โดยตรง มีระดับความอัตโนมัติสูงขึ้น และมีความหนาแน่นของวงจรที่ยอดเยี่ยม ซึ่งก่อให้เกิดประโยชน์อย่างมากต่อ การผลิตอิเล็กทรอนิกส์ .

บริบททางประวัติศาสตร์: จากการติดตั้งแบบเจาะรูสู่การติดตั้งบนพื้นผิว

ใน ในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 อุตสาหกรรมการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ถูกครอบงำโดย เทคโนโลยีผ่านรู (THT) . ชิ้นส่วนต่าง ๆ เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และวงจรรวม (ICs) ถูกติดตั้งด้วยสายไฟที่ต้องใส่เข้าไปในรูที่เจาะไว้ในแผงวงจรพิมพ์ วิธีการนี้แม้จะมีความทนทาน แต่ก็สร้างปัญหาหลายประการ:

• ใช้แรงงานคนเข้มข้น: ต้องใช้แรงงานจำนวนมากในการใส่และบัดกรี
• การลดขนาดมีข้อจำกัด: ขาลวดและรูที่เจาะทำให้การออกแบบแผงวงจรพีซีบีมีความกะทัดรัดได้จำกัด
• การผลิตช้า: ผลิตภัณฑ์ที่ซับซ้อนต้องใช้เวลานานในการประกอบและตรวจสอบ
• การใช้งานระบบอัตโนมัติจำกัด: การทำให้เป็นอัตโนมัติเต็มรูปแบบเป็นเรื่องยาก ส่งผลให้อัตราความผิดพลาดและต้นทุนแรงงานเพิ่มขึ้น

ความต้องการด้านระบบอัตโนมัติและประสิทธิภาพ

เมื่อมีความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลง มีประสิทธิภาพมากขึ้น และมีพลังมากขึ้น ผู้ผลิตจึงมองหาวิธีการบรรจุวงจรจำนวนมากมายังบอร์ดขนาดเล็กลง ระบบอัตโนมัติในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) กลายเป็นความต้องการที่สำคัญ

• การติดตั้งกลายเป็นจุดคับคั่ง: การใส่ขาเชื่อมผ่านรู—โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุปกรณ์มีขนาดเล็กลง—ทำให้การผลิตจำนวนมากช้าลง
• ความหนาแน่นของส่วนประกอบถึงขีดจำกัดทางกายภาพ: สายนำและรูเจาะใช้พื้นที่อันมีค่าบนบอร์ด
• การตรวจสอบและการซ่อมแซมทำได้ยุ่งยาก: กระบวนการแบบแมนนวลส่งผลให้อัตราผลผลิตและความสามารถในการผ่านกระบวนการลดลง

การเกิดขึ้นและความโดดเด่นของ SMT

กับ SMT , ส่วนประกอบ—ที่เรียกว่า อุปกรณ์ติดตั้งผิวหน้า (SMDs) —จะถูกจัดวางโดยตรงลงบนแผ่นทองแดงบนพื้นผิวของบอร์ดวงจรพิมพ์ โดยเครื่องจักรอัตโนมัติ เครื่องจักรป้อนและวางชิ้นส่วน จัดตำแหน่งส่วนประกอบเหล่านี้อย่างแม่นยำด้วยความเร็วสูงมาก ตามด้วย การเชื่อมแบบหลอมใหม่ เพื่อตรึงไว้

ประโยชน์หลักจากการเกิดขึ้นของ SMT:

• การกำจัดรูเจาะ: เพิ่มพื้นที่ใช้สอยบนบอร์ด PCB ให้มากที่สุด และรองรับการออกแบบที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น
• การประกอบอัตโนมัติอย่างรวดเร็ว: ผ่านกระบวนการผลิตได้มากขึ้นอย่างมาก และลดข้อผิดพลาดจากมนุษย์
• ชิ้นส่วน SMT ที่ออกแบบมาเพื่อประสิทธิภาพเฉพาะ: ถูกออกแบบมาเพื่อการทำงานที่ความถี่สูง กำลังไฟต่ำ และมีปฏิกิริยาเชิงพาณิชย์ต่ำที่สุด

SMT เทียบกับ วิธีการประกอบแบบดั้งเดิม (Through-Hole)

เมื่ออุตสาหกรรมการผลิตอิเล็กทรอนิกส์พัฒนาขึ้น ได้มีเทคนิคการประกอบบอร์ด PCB หลักสองวิธีที่กำหนดรูปแบบของอุตสาหกรรม: เทคโนโลยีผ่านรู (THT) และ Surface Mount Technology (SMT) การเข้าใจความแตกต่าง จุดแข็ง และจุดอ่อนของทั้งสองวิธีนี้ เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเลือกวิธีที่เหมาะสม หรือการผสมผสานวิธีการที่ถูกต้องสำหรับการประยุกต์ใช้งานแต่ละประเภท

เทคโนโลยีแบบผ่านรู (Through-Hole Technology): มาตรฐานสำหรับความทนทาน

เทคโนโลยีแบบผ่านรู (Through-Hole Technology) เป็นโครงสร้างหลักของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์มาหลายทศวรรษที่ผ่านมา ที่นี่ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ชิ้นส่วนที่มีขาโลหะจะถูกใส่เข้าไปในรูที่เจาะไว้ล่วงหน้าบนบอร์ดวงจรอัด (PCB) แล้วจึงบัดกรีติดกับแผ่นทองแดงที่ด้านล่างของบอร์ด เทคนิคนี้ให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญบางประการ:

จุดแข็งของการประกอบแบบ THT:

• ความแข็งแรงทางกล: ขาของชิ้นส่วนที่ยึดติดผ่านบอร์ด PCB ทำให้มีความแข็งแรงทางโครงสร้างสูง—ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักมากหรือต้องรับแรงเครียดสูง (เช่น ขั้วต่อไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้า)
• ความเชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง: มีค่าในการใช้งานสูงโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมยานยนต์ อากาศยาน และอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหการ ที่ต้องพิจารณาเรื่องการสั่นสะเทือน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ หรือแรงกระแทกทางกล
• การประกอบและต้นแบบด้วยมือทำได้ง่าย: THT เหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานสร้างของผู้ชื่นชอบ งานผลิตจำนวนน้อย หรือสถานการณ์ที่ต้องใช้ซ็อกเก็ตแบบผ่านรูหรือขั้วต่อขนาดใหญ่

เทคโนโลยีการติดตั้งผิวหน้า (Surface Mount Technology - SMT): มาตรฐานแห่งการย่อขนาด

เทคโนโลยีการติดตั้งพื้นผิว ได้กลายเป็นมาตรฐานอย่างรวดเร็วสำหรับการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ โดยการติดตั้งชิ้นส่วนโดยตรงบนพื้นผิวของบอร์ด PCB ทำให้ไม่จำเป็นต้องมีรูเจาะ ส่งผลให้เกิดการพัฒนาขั้นปฏิวัติ:

จุดแข็งของการประกอบ SMT:

• ความหนาแน่นของชิ้นส่วนสูง: ทำให้ออกแบบแผงวงจรพีซีบีมีขนาดเล็กมาก — สิ่งนี้สำคัญต่อสมาร์ทโฟน อุปกรณ์ฝังร่างกายทางการแพทย์ และอุปกรณ์ IoT
• ระบบอัตโนมัติขั้นยอดเยี่ยม: หุ่นยนต์ดูดและวาง เตาอบรีฟโลว์ความเร็วสูง และการตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ (AOI) ช่วยให้ได้ความเร็ว ความแม่นยำ และผลผลิตการผลิตที่สูง
• ประสิทธิภาพสายการประกอบที่รวดเร็วกว่า: การตัดขั้นตอนการใส่ด้วยมือและการบัดกรีหลายขั้นตอน ช่วยลดเวลาการผลิตลงอย่างมาก
• สมรรถนะทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า: เส้นทางนำไฟฟ้าที่สั้นและตรงกว่า ช่วยลดปฏิกิริยาเหนี่ยวนำและประจุไฟฟ้าที่ไม่ต้องการ ทำให้ SMT เหมาะสมกับ อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง .
• รองรับการมินิแอตเจอร์ไรเซชัน: ขนาดของแพ็คเกจที่เล็กลงช่วยสนับสนุนการลดขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างต่อเนื่อง
• การสูญเสียพลังงานต่ำกว่า: ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบ SMT โดยทั่วไปมีอัตราการใช้พลังงานต่ำกว่า และการจัดการความร้อนที่ดีขึ้น เนื่องจากขาสั้นกว่าและแพ็คเกจที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม

ตารางอ้างอิงเปรียบเทียบอย่างรวดเร็ว

เหตุผลสนับสนุนการประกอบแผงวงจรพีซีบีแบบผสมเทคโนโลยี

มากขึ้นเรื่อยๆ การประกอบแผ่นวงจรพิมพ์แบบผสม —รวมทั้ง SMT และ THT เข้าด้วยกัน—ให้ข้อดีที่ดีที่สุดจากทั้งสองเทคโนโลยี:

• การใช้งาน SMT สำหรับสัญญาณความเร็วสูงและความหนาแน่นสูง และพื้นที่ขนาดกะทัดรัด
• การใช้งาน ธ สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการความแข็งแรงทางกลหรือการจัดการกระแสไฟฟ้าสูง

ข้อได้เปรียบหลักของกระบวนการประกอบ SMT ในการผลิตอิเล็กทรอนิกส์

การเปลี่ยนผ่านไปสู่ Surface Mount Technology (SMT) ได้ก่อให้เกิดยุคใหม่ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ โดยกระบวนการประกอบ SMT ได้นำข้อดีหลากหลายประการมาใช้ ซึ่งเปลี่ยนแปลงทุกขั้นตอนของการผลิตอย่างแท้จริง การผลิตพีซีบี ตั้งแต่ประสิทธิภาพการออกแบบและจำนวนชิ้นส่วนต่อพื้นที่ ไปจนถึงต้นทุนที่คุ้มค่าและความน่าเชื่อถือ มาดูกันอย่างลึกซึ้งถึงประโยชน์หลักเหล่านี้ และเหตุผลที่ทำให้กระบวนการประกอบ SMT กลายเป็นมาตรฐานในอุตสาหกรรมการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ยุคปัจจุบัน

1. ประสิทธิภาพการประกอบที่สูงขึ้นและการใช้งานระบบอัตโนมัติ

หนึ่งในข้อได้เปรียบที่เปลี่ยนแปลงวิธีการผลิตมากที่สุดของ การประกอบ SMT คือความสามารถในการใช้ระบบอัตโนมัติเพื่อความเร็วและความสม่ำเสมอที่เหนือกว่า

• การวางตำแหน่งชิ้นส่วนโดยอัตโนมัติ: โดยใช้เทคโนโลยีขั้นสูง เครื่องจักรป้อนและวางชิ้นส่วน สามารถวางชิ้นส่วนแบบผิวสัมผัสหลายพันชิ้นบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้อย่างแม่นยำภายในไม่กี่นาที
• กระบวนการบัดกรีที่ได้รับการปรับให้ราบรื่น: เทคนิคการบัดกรีด้วยวิธีรีฟโลว์ช่วยให้สามารถบัดกรีบอร์ดทั้งแผ่นได้ในครั้งเดียว ส่งผลให้เพิ่มอัตราการผลิตและผลผลิตได้มากยิ่งขึ้น
• ลดความผิดพลาดจากมนุษย์: ระบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบช่วยลดความเสี่ยงจากข้อบกพร่องในการบัดกรี องค์ประกอบที่จัดวางไม่ตรงตำแหน่ง หรือการติดตั้งในแนวที่ผิด

2. การออกแบบพีซีบีขนาดกะทัดรัดและความหนาแน่นของชิ้นส่วนสูง

ชิ้นส่วน SMT มีขนาดเล็กกว่าชิ้นส่วนแบบผ่านโฮล์ (through-hole) อย่างมาก รูปทรงขนาดเล็กของพวกมันทำให้วิศวกรสามารถออกแบบ วงจรความหนาแน่นสูง ได้ ทำให้สามารถเพิ่มฟังก์ชันการทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้นในพื้นที่บอร์ดที่จำกัด

ประโยชน์ของความหนาแน่นของชิ้นส่วนสูง:

• การย่อขนาดอิเล็กทรอนิกส์: สมาร์ทโฟน อุปกรณ์สวมใส่ และอุปกรณ์ IoT ในปัจจุบันเป็นไปได้ก็เพราะอาศัยชิ้นส่วน SMT ที่มีขนาดกะทัดรัด
• การรองรับแผ่นวงจรพิมพ์หลายชั้น: SMT ช่วยให้สามารถจัดเรียงแผ่นหลายชั้นได้อย่างราบรื่น พร้อมเส้นทางเดินสายขั้นสูงสำหรับการออกแบบที่ซับซ้อน
• ความยืดหยุ่นในการออกแบบที่เพิ่มขึ้น: บรรจุภัณฑ์ SMT ที่มีขนาดเล็กลง (เช่น 0402 หรือ 0201 สำหรับตัวต้านทาน/ตัวเก็บประจุ) ทำให้วิศวกรออกแบบสามารถใส่ฟีเจอร์เพิ่มเติมหรือความเร็วที่สูงขึ้นในพื้นที่จำกัดได้

3. ค่ากำลังไฟฟ้าต่ำลงและประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบ SMT โดยทั่วไปให้ค่าการสูญเสียพลังงานต่ำกว่าเนื่องจากขนาดเล็กและการออกแบบความยาวตัวนำที่เหมาะสม นอกจากนี้ การจัดวางแบบ surface-mount ยังช่วยให้:

• ความเหนี่ยวนำและความจุของเส้นทางไฟฟ้าลดลง: การเชื่อมต่อที่สั้นลงช่วยลดองค์ประกอบพาราซิติก ทำให้ SMT เหมาะสมอย่างยิ่งกับวงจรความถี่สูงและวงจรความเร็วสูง
• ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนที่ดีกว่า: มีประสิทธิภาพ การจัดการความร้อน และทนต่อความร้อนได้ดีขึ้นในแพ็กเกจ SMT แบบใหม่ ช่วยลดความเสี่ยงจากการทำงานที่อุณหภูมิสูงเกินไป

4. การลดต้นทุนในการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)

ประสิทธิภาพด้านต้นทุนเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ผลักดันการนำเทคโนโลยี SMT มาใช้ ซึ่งส่งผลต่อทั้งผู้ผลิตขนาดเล็กและผู้ผลิตที่มีปริมาณมาก:

• รูเจาะน้อยลง: การติดตั้งโดยตรงบนพื้นผิวช่วยกำจัดขั้นตอนการเจาะรูที่มีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลานาน
• ต้นทุนวัสดุลดลง: แพ็กเกจที่เล็กลงหมายถึงการใช้วัสดุต่อชิ้นส่วนน้อยลง
• ลดต้นทุนแรงงาน: ระบบอัตโนมัติช่วยทำให้กระบวนการ กระบวนการประกอบพีซีบี มีความราบรื่นมากขึ้น ลดความจำเป็นในการใช้แรงงานคนอย่างมีนัยสำคัญ
• คุณภาพสม่ำเสมอ: ข้อบกพร่องและงานแก้ไขที่ลดลง ส่งผลให้อัตราผลผลิตโดยรวมสูงขึ้น

ตาราง: การเปรียบเทียบต้นทุนโดยประมาณ (ค่าทั่วไป)

5. ความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น และประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

• ข้อต่อตะกั่วที่สม่ำเสมอ: กระบวนการรีฟโลว์แบบอัตโนมัติสร้างการเชื่อมต่อที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดน้อยกว่าการเชื่อมด้วยมือ
• คุณสมบัติความถี่สูงที่ดีกว่า: เส้นทางผิวสั้นของ SMT ส่งผลให้สัญญาณความถี่สูงมีความสมบูรณ์มากขึ้น และลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า
• ความเข้ากันได้กับการไม่มีตะกั่ว: SMT สามารถปรับใช้ได้ง่ายกว่ากับ มาตรฐานการบัดกรีแบบไม่มีตะกั่ว สนับสนุนการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมและข้อบังคับ

6. ความเข้ากันได้เต็มรูปแบบกับชิ้นส่วนผสมและแบบไฮบริด

แม้ว่า SMT จะเข้ามาแทนที่แบบผ่านรูในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเป็นส่วนใหญ่ แต่จุดแข็งที่พูดถึงน้อยลงอย่างหนึ่งคือ การอยู่ร่วมกันกับแผ่นวงจรแบบผ่านรู ในระบบที่ใช้แบบผสม เครื่องประกอบ PCB ที่ใช้เทคโนโลยีผสมผสาน - ไม่ ผู้ผลิตสามารถปรับปรุงการออกแบบแต่ละแบบ โดยใช้สิ่งที่ดีที่สุดจากทั้งโลก เช่น การรวมไมโครคอนโทรเลอร์ที่ติดอยู่บนพื้นผิวกับเครื่องเชื่อมผ่านรู เพื่อการจัดการพลังงานที่ดีขึ้นและความทนทานทางกายภาพ

7. ความสามารถในการปรับขนาดที่ไม่มีคู่แข่งสําหรับการผลิตจํานวนมาก

เมื่อการออกแบบ PCB พร้อมแล้ว สายประกอบ SMT สามารถปรับขนาดได้อย่างไม่สิ้นเชิง อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และมาตรฐานคุณภาพที่ต้องการ การแพทย์ และ pCB สายการบิน การผลิต

ข้อสรุปสำคัญ:

• เหมาะสําหรับการทํางานในปริมาณสูง
• เหมาะสําหรับแผ่นที่ซับซ้อน หลายชั้น และคอมแพคต์
• ให้ความคล่องตัวที่จำเป็นสำหรับตลาดอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการแข่งขันสูง

8. ความน่าเชื่อถือและความสม่ำเสมอดีขึ้นตามเวลา

เนื่องจากการประกอบแบบ SMT ช่วยลดการแทรกแซงของมนุษย์ในกระบวนการส่วนใหญ่ วงจร SMT มีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า ความสม่ำเสมอมากขึ้น และความน่าเชื่อถือโดยรวมที่เหนือกว่า เมื่อผนวกกับคุณสมบัติทดสอบตนเองในตัว การตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ (AOI) , อัตราการเกิดข้อผิดพลาดจะลดลงอย่างมาก

ข้อดีของ SMT: รายการอ้างอิงอย่างย่อ

• การออกแบบวงจรสัญญาณหนาแน่นสูง
• การทำงานอัตโนมัติและขยายขนาดได้อย่างไร้รอยต่อ
• การประกอบที่รวดเร็วขึ้น และระยะเวลาสั้นลงในการนำผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาด
• ต้นทุนการผลิตและค่าแรงโดยรวมต่ำกว่า
• ประสิทธิภาพสัญญาณและความถี่สูงยอดเยี่ยม
• การออกแบบผลิตภัณฑ์ที่เล็กลง น้ำหนักเบากว่า และผสานรวมได้ดีขึ้น
• เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม สนับสนุนมาตรฐานการไม่มีตะกั่ว

สำรวจชิ้นส่วนและอุปกรณ์ SMT

เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิบ (SMT) ได้ทำให้สามารถพัฒนาชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เฉพาะทางหลากหลายชนิด ซึ่งออกแบบมาเพื่อการประกอบแผงวงจรพิมพ์ความหนาแน่นสูงแบบอัตโนมัติอย่างเต็มรูปแบบ ลักษณะทางกายภาพและการบรรจุหีบห่อที่แตกต่างของชิ้นส่วนเหล่านี้ มีส่วนสำคัญโดยตรงต่อ การลดขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และการตอบสนองข้อกำหนดการออกแบบที่ซับซ้อนในอุปกรณ์ยุคใหม่ ในส่วนนี้ เราจะพิจารณาอย่างละเอียดเกี่ยวกับประเภทของ ชิ้นส่วน SMT , รูปแบบแพ็คเกจของชิ้นส่วน และความแตกต่างจากชิ้นส่วนเจาะรูแบบดั้งเดิม

ชิ้นส่วน SMT เทียบกับชิ้นส่วนเจาะรู

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างชิ้นส่วนแบบติดตั้งบนผิวหน้าและแบบเจาะรูอยู่ที่วิธีการเชื่อมต่อกับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB):

• ส่วนประกอบแบบผ่านรู มีขาลวดที่ใส่เข้าไปในรูที่มีการชุบโลหะแล้วบัดกรีที่ด้านตรงข้าม
• ชิ้นส่วน SMT (หรืออุปกรณ์แบบติดตั้งบนผิวหน้า, SMD) มีขั้วโลหะหรือขาที่วางอยู่บนแผ่นบัดกรีของ PCB โดยตรง และยึดติดโดยใช้วิธีบัดกรีแบบรีฟโลว์

ความแตกต่างหลัก

ประเภทบรรจุภัณฑ์ SMT หลัก

1. ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ: ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ

ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ SMT มาในรูปแบบบรรจุภัณฑ์มาตรฐานขนาดเล็ก ที่ออกแบบมาเพื่อให้อุปกรณ์ประกอบอัตโนมัติสามารถระบุได้อย่างรวดเร็ว:

2. วงจรรวม (ICs)

SMT ทำให้สามารถหีบห่อและประกอบ ICs ที่มีความซับซ้อนสูง เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ FPGA และชิปหน่วยความจำ

แพ็คเกจ ICs ยอดนิยมแบบ SMT

3. เซมิคอนดักเตอร์แบบแยกส่วน: ทรานซิสเตอร์และไดโอด

ขณะนี้เซมิคอนดักเตอร์แบบแยกส่วนส่วนใหญ่จะจัดจำหน่ายในรูปแบบบรรจุภัณฑ์พลาสติกขนาดเล็กสำหรับการติดตั้งบนผิวหน้า ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทั้งในด้านระบบอัตโนมัติและแผงวงจร

บรรจุภัณฑ์ที่นิยมใช้:

• SOT-23, SOT-223: ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ FET และเรกูเลเตอร์แรงดันไฟฟ้า
• SOD, MELF: สำหรับไดโอดและองค์ประกอบพาสซีฟพิเศษ

4. ประเภทส่วนประกอบ SMT เพิ่มเติม

• ตัวเหนี่ยวนำ: มีให้เลือกในรูปแบบชิปขนาดเล็กหรือแบบมีขดลวด สำหรับวงจรความถี่วิทยุและแหล่งจ่ายไฟ
• ตัวเชื่อมต่อ: แม้แต่ตัวเชื่อมต่อขนาดเล็กรุ่นใหม่บางชนิดก็มีให้เลือกในรูปแบบไฮบริดหรือแบบ SMT ทั้งหมด ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการวางตำแหน่งโดยอัตโนมัติ แต่ยังคงให้ความแข็งแรงทนทานทางกล
• ออสซิลเลเตอร์และคริสตัล: รุ่น SMT ช่วยให้การรวมระบบจับเวลาความเร็วสูงทำได้ง่ายขึ้น

การจัดแนวและการวางตำแหน่งส่วนประกอบ SMT

ความเร็วสูง เครื่องจักรป้อนและวางชิ้นส่วน อ่านจากเครื่องป้อนส่วนประกอบ จัดแนวชิ้นส่วนอย่างแม่นยำ และวางลงบนแผ่นบัดกรีที่เคลือบไว้ ความแม่นยำนี้ช่วยให้อัตราผลผลิตของแผงวงจรพีซีบีสูงสุดและสามารถทำซ้ำได้ ลดความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการจัดการด้วยมนุษย์

ข้อพิจารณาทั่วไปในการวางตำแหน่ง

• การจัดแนวส่วนประกอบ: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าขาที่ 1 หรือเครื่องหมายขั้วไฟฟ้าตรงกับรูปแบบบนบอร์ด PCB — สิ่งนี้มีความสำคัญสำหรับไอซีและตัวเก็บประจุที่มีขั้ว
• ความต้านทานความร้อน: ส่วนประกอบ SMT ถูกออกแบบมาเพื่อประสิทธิภาพสูง การหมุนเวียนทางความร้อน และสามารถทนต่อความร้อนจัดจากกระบวนการ เตาอบรีฟลาว .
• การเขียนรหัสส่วนประกอบ: เครื่องหมายที่ชัดเจนและรหัสมาตรฐานช่วยให้ระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ (AOI) ยืนยันตำแหน่งที่ติดตั้งอย่างถูกต้อง

ตาราง: สรุปข้อมูลอ้างอิงบรรจุภัณฑ์ SMT

ภายในกระบวนการประกอบ SMT: ทีละขั้นตอน

The กระบวนการประกอบ SMT เป็นชุดขั้นตอนที่ซับซ้อนและได้รับการอัตโนมัติสูง ซึ่งรวมความแม่นยำทางกล เคมี และระบบวิชันคอมพิวเตอร์เข้าด้วยกัน เพื่อผลิตงานคุณภาพสูงอย่างเชื่อถือได้ บอร์ดวงจรพิมพ์ (PCB) . กระบวนการทั้งหมดได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือ ความสมบูรณ์ของสัญญาณ และปริมาณการผลิต ทำให้เป็นหัวใจหลักของระบบการผลิตยุคใหม่ การผลิตอิเล็กทรอนิกส์ . ด้านล่างนี้ เราจะแยกวิเคราะห์แต่ละขั้นตอนสำคัญ โดยพิจารณาเครื่องจักรขั้นสูง การตรวจสอบกระบวนการ และข้อได้เปรียบของ SMT ที่ตามมา

1. การทากาวตะกั่ว

การเดินทางของบอร์ด SMT เริ่มต้นด้วย การทากาวตะกั่ว ลงบนแผ่น PCB ที่ยังไม่มีชิ้นส่วนติดตั้ง

สารละลายตะกั่ว กาวตะกั่วเป็นส่วนผสมของอนุภาคตะกั่วขนาดเล็กและฟลักซ์ ทำหน้าที่ทั้งยึดเหนี่ยวชิ้นส่วนในขั้นตอนการติดตั้ง และเป็นตัวเชื่อมโลหะอย่างถาวรในกระบวนการรีฟโลว์

ขั้นตอนสำคัญ:

• A แม่พิมพ์เหล็กกล้าไร้สนิม —ที่ออกแบบตัดพิเศษให้ตรงกับรูปแบบของแผ่นทองแดง—จะถูกวางทับบน PCB
• เครื่องพิมพ์แบบอัตโนมัติ ใช้ครีมตะกั่วผ่านช่องเปิดของแม่พิมพ์ เพื่อเคลือบแต่ละแพดด้วยปริมาณที่แม่นยำ
• เครื่องจักรขั้นสูงตรวจสอบปริมาตรและตำแหน่งของแต่ละจุดที่วางครีมตะกั่วด้วย การตรวจสอบแผ่นโซลเดอร์ (SPI) ระบบ

2. การวางส่วนประกอบ (เทคโนโลยีปิ๊กแอนด์เพลส)

ต่อไป เครื่องจักรที่ทันสมัย เครื่องจักรป้อนและวางชิ้นส่วน เริ่มทำงาน:

• ฟีดเดอร์ส่วนประกอบ : ส่วนประกอบ SMD (Surface-Mount Device) แต่ละตัวจะถูกโหลดเข้าเครื่องโดยใช้ม้วนเทป หลอด หรือถาด
• ระบบการมองเห็น : หัวจับที่ควบคุมด้วยกล้องจะดูดหยิบส่วนประกอบด้วยแรงดูดอากาศ ตรวจสอบทิศทาง และยืนยันขนาดและชนิด
• การวางด้วยความเร็วสูง : การ การวางแบบอัตโนมัติ หัวเครื่องจักรจะวางแต่ละชิ้นส่วนลงบนแผงวงจรพีซีบีที่เคลือบด้วยซอเดอร์พาสต์ใหม่ๆ อัตราเร็วในการวางชิ้นส่วนอยู่ที่หลายหมื่นตำแหน่งต่อชั่วโมง

3. การบัดกรีแบบรีฟโลว์: หัวใจของการต่อประกอบแบบ SMT

บางทีอาจเป็นคุณลักษณะที่สำคัญและโดดเด่นที่สุดของการประกอบแบบ SMT การเชื่อมแบบหลอมใหม่ คือจุดที่การยึดติดชั่วคราวของซอเดอร์พาสต์เปลี่ยนกลายเป็นการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและเชิงกลที่มั่นคงถาวร

ขั้นตอนกระบวนการในการบัดกรีแบบรีฟโลว์:

• โพรไฟล์ความร้อน ได้รับการปรับให้เหมาะสมกับชนิดของชิ้นส่วนและแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อป้องกันความเสียหายต่อแพ็กเกจ SMT ที่มีความไวต่อความร้อน
• แผ่นวงจรจะเคลื่อนผ่านเตาอบรีฟโลว์แบบอัตโนมัติ โดยมีการควบคุมเกรเดียนต์ความร้อนอย่างแม่นยำ

4. การตรวจสอบด้วยกล้องออปติคอลแบบอัตโนมัติ (AOI) และการตรวจสอบคุณภาพ

เมื่อออกจากเตาอบรีฟโลว์ แผ่น PCB จะถูกส่งต่ออย่างรวดเร็วไปยัง การตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ (AOI) สถานี:

• AOI ใช้กล้องความละเอียดสูง เพื่อเปรียบเทียบแต่ละบอร์ดที่ประกอบแล้วกับข้อมูลอ้างอิงที่ตั้งโปรแกรมไว้ โดยตรวจสอบองค์ประกอบที่วางตำแหน่งผิด หายไป หรือจัดวางทิศทางไม่ถูกต้อง รวมถึงความสมบูรณ์ของข้อต่อการบัดกรี
• ระบบ AOI ขั้นสูงวิเคราะห์คุณลักษณะหลายพันรายการต่อบอร์ดภายในไม่กี่วินาที สามารถตรวจจับข้อบกพร่องที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า
• ในสายการผลิตจำนวนมาก การตรวจฉายรังสี ใช้สำหรับบรรจุภัณฑ์ที่ซับซ้อนสูง (เช่น BGAs) เพื่อระบุข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ เช่น โพรงอากาศ ปริมาณตะกั่วหลอมไม่เพียงพอ หรือวงจรลัดในบริเวณใต้ชิป

ขั้นตอนการควบคุมคุณภาพเพิ่มเติม

• การทดสอบการทำงาน: สำหรับการประกอบแผงวงจรพีซีบีที่มีมูลค่าสูงหรือเกี่ยวข้องกับความปลอดภัยเป็นพิเศษ สถานีทดสอบการทำงานแบบต่อเนื่องหรือปลายสายจะทำการตรวจสอบประสิทธิภาพภายใต้เงื่อนไขการใช้งานจำลอง
• การตรวจสอบด้วยตนเอง: บางครั้ง บอร์ดที่ถูกแจ้งเตือนจะได้รับการตรวจสอบโดยช่างเทคนิคผู้ชำนาญ เพื่อดำเนินการแก้ไขหรือซ่อมแซม

5. การทำความสะอาดและการเตรียมขั้นสุดท้าย

แม้การบัดกรีด้วยตะกั่วไร้สารตะกั่วและกระบวนการที่สะอาด ก็อาจทิ้งสิ่งตกค้างในระดับไมโครไว้ได้ สำหรับบอร์ดที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง (ทางการแพทย์ ยานยนต์ อวกาศ) ระบบล้างและอบแห้งอัตโนมัติ ขจัดคราบฟลักซ์หรือสิ่งปนเปื้อนที่เหลืออยู่ทั้งหมด เพื่อป้องกันการกัดกร่อนและการรั่วของสัญญาณ

ขั้นตอนกระบวนการประกอบ SMT — ตารางสรุป

กรณีศึกษา: การขยายขนาดเพื่อการผลิตยุคใหม่

ทั่วโลก อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ผู้ผลิตใช้สาย SMT ในการผลิตแผงวงจรพีซีบีสำหรับสมาร์ทโฟน โดยแต่ละสาย

• ทำงานตลอด 24/7 ด้วยการแทรกแซงของมนุษย์ในระดับต่ำมาก
• บรรลุอัตราผลผลิตมากกว่า 99.9% อัตราผลผลิต บนจำนวนแผงมากกว่า 10,000 แผงตากะ
• ตรวจจับและแก้ไขปัญหาโดยอัตโนมัติแบบเรียลไทม์ เพื่อรักษามาตรฐานคุณภาพอย่างสม่ำเสมอ

บทบาทของผู้เชี่ยวชาญมนุษย์

แม้ว่าการประกอบ SMT จะเน้นความเป็นระบบอัตโนมัติ วิศวกรและช่างเทคนิค มีความสำคัญสำหรับ:

• การเขียนโปรแกรมระบบรับ-วาง และระบบตรวจสอบ
• การแก้ไขข้อผิดพลาดในกระบวนการที่เกิดขึ้นอย่างไม่คาดคิด
• การออกแบบบอร์ดใหม่เพื่อให้เหมาะสมกับการผลิต (ดู DFM ในส่วนถัดไป)

สรุป

The กระบวนการประกอบแผงวงจรพิมพ์ SMT เป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงความร่วมมือกันระหว่างเครื่องมือขั้นสูง การควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวด และการดูแลตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญ ซึ่งนำไปสู่ การบัดกรีที่แม่นยำ อัตราผลผลิตที่สูงมาก และความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ในระดับยอดเยี่ยม —คุณลักษณะที่กำหนดการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีที่สุดในปัจจุบัน

ข้อได้เปรียบของการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์แบบผสม (SMT + THT)

ในขณะที่ Surface Mount Technology (SMT) ครองตลาดการผลิตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ เทคโนโลยีผ่านรู (THT) ยังคงมีความจำเป็นอย่างมากสำหรับการใช้งานหลายประเภทที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงหรือทนต่อแรงเครียดสูง โดยการนำจุดแข็งของทั้งสองแบบมารวมกัน ทำให้วิศวกรสามารถพัฒนา การประกอบแผ่นวงจรพิมพ์แบบผสม —แนวทางแบบไฮบริดที่ปลดล็อกขีดจำกัดใหม่ด้านความยืดหยุ่นในการออกแบบ ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพ

Mixed-technology PCB Assembly คืออะไร?

การประกอบแผ่นวงจรพิมพ์แบบผสม เกี่ยวข้องกับการรวมกันอย่างมีกลยุทธ์ระหว่าง ชิ้นส่วน SMT และแบบดั้งเดิม ชิ้นส่วน THT บนบอร์ดวงจรอิเล็กทรอนิกส์เดียวกัน วิธีการนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถใช้ประโยชน์จากข้อดีของ การย่อขนาดให้เล็กลง การจัดวางแบบอัตโนมัติ และการประหยัดต้นทุน ของ SMT พร้อมยังคงไว้ซึ่งความทนทานทางกลและประสิทธิภาพในการจัดการพลังงานที่ชิ้นส่วน THT มีให้

ประโยชน์สำคัญ:

• เพิ่มประสิทธิภาพด้านพื้นที่และการทำงาน: ใช้ SMT สำหรับลอจิกและความเร็วสูงที่หนาแน่น และใช้ THT สำหรับภาระหนักและขั้วต่อ
• ปรับปรุงความน่าเชื่อถือของบอร์ด: จุดยึดทางกลที่สำคัญ (ขั้วต่อไฟฟ้า เรเลย์) สามารถทนต่อการสั่นสะเทือน แรงกระแทก และแรงเครียดซ้ำๆ ได้
• ทำให้มีความสามารถหลายด้าน: รองรับการออกแบบแผงวงจรพีซีบีหลายชั้นที่ซับซ้อน สำหรับการใช้งานขั้นสูงในอุตสาหกรรมยานยนต์ อากาศยาน อุตสาหกรรม และการแพทย์

ขั้นตอนการผลิตแผงวงจรพีซีบีแบบผสมเทคโนโลยี

กระบวนการประกอบแบบผสมตามลำดับขั้นตอน

การบัดกรีขั้นสูงสำหรับแผงวงจรผสม

• การบัดกรีแบบคลื่น: มีประสิทธิภาพสำหรับงานปริมาณมาก แต่อาจทำให้ชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนได้รับความเครียดจากความร้อน
• การบัดกรีแบบเลือกเฉพาะจุด: การให้ความร้อนเฉพาะจุดช่วยลดความเสี่ยงต่อชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนหรือแผงวงจรที่ออกแบบหนาแน่น ซึ่งสำคัญต่อแผงวงจรยานยนต์หรือทางการทหารที่ซับซ้อน
• เทคนิค Pin-in-Paste: ขาหรือขั้ว THT จะถูกใส่ชั่วคราวลงในแผ่นทองแดงบัดกรีแบบ SMT ก่อนจะทำการบัดกรีในขั้นตอนการรีฟโลว์ ซึ่งเหมาะสำหรับงานผลิตปริมาณน้อย พิเศษ หรือต้นแบบ

การใช้งานในโลกจริง และการศึกษากรณี

แผงวงจรพิมพ์สำหรับยานยนต์และอุตสาหกรรม

• ตัวควบคุมเครื่องยนต์ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์และลอจิกแบบ SMT ร่วมกับขั้วต่อ THT และรีเลย์กำลังสูง
• ระบบควบคุมกระบวนการอุตสาหกรรมใช้ SMT เพื่อเส้นทางสัญญาณที่รวดเร็วและกะทัดรัด แต่ใช้ THT สำหรับบล็อกขั้วต่อขนาดใหญ่

อุปกรณ์ทางการแพทย์

• SMT ทำให้สามารถประมวลผลสัญญาณอย่างหนาแน่นในจอภาพแบบพกพาได้ ในขณะที่ขั้วต่อ THT ที่ทนทานช่วยให้มั่นใจในความเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมที่ต้องการความเชื่อถือได้สูง (เช่น เครื่องในโรงพยาบาลหรืออุปกรณ์ฝังร่างกาย)

อุตสาหกรรมการบินและป้องกันประเทศ

• แผงวงจรไฟฟ้าสำหรับการบินใช้ SMT เพื่อลดน้ำหนักและเพิ่มความหนาแน่นของลอจิก โดยเก็บขั้วต่อ THT ไว้สำหรับงานสำคัญที่ต้องทนต่อการสั่นสะเทือน การกระแทก และการเชื่อมต่อซ้ำๆ

การศึกษากรณี:  แผงวงจรพีซีบีของเครื่องช่วยหายใจทางการแพทย์รวมชิปประมวลผลแบบแอนะล็อก/ดิจิทัล SMT และอุปกรณ์พาสซีฟขนาดเล็กรวมกับขั้วต่อ THT ที่สามารถทนต่อการทำความสะอาดฆ่าเชื้อซ้ำๆ และแรงทางกายภาพได้ ส่งผลให้เกิดความหนาแน่นของวงจรและปลอดภัยสูงสุด

คำอธิบายศัพท์เฉพาะ: เทคโนโลยีผสม แตกต่างจาก สัญญาณผสม

• พีซีบีเทคโนโลยีผสม: ใช้ทั้งส่วนประกอบแบบ SMT และ THT เพื่อให้การออกแบบ การผลิต และความน่าเชื่อถืออยู่ในระดับเหมาะสมที่สุด
• พีซีบีสัญญาณผสม: รวมวงจรแอนะล็อกและดิจิทัลเข้าไว้ด้วยกัน มักต้องพิจารณาด้านกายภาพและการวางผังอย่างระมัดระวัง แต่ไม่ผูกพันกับวิธีการประกอบ

การผสานกลยุทธ์: เหตุใดวิศวกรออกแบบจึงเลือกใช้พีซีบีแบบไฮบริด

• ประสิทธิภาพในการออกแบบ: เลือกและติดตั้งชิ้นส่วนแต่ละตัวในตำแหน่งที่ทำให้ทำงานได้ดีที่สุดและมีอายุการใช้งานยาวนานที่สุด
• ความคล่องตัวในการผลิต: นักออกแบบสามารถปรับแพลตฟอร์มที่มีอยู่ให้สอดคล้องกับข้อกำหนดใหม่ได้อย่างรวดเร็ว โดยการเปลี่ยนเฉพาะชิ้นส่วน THT หรือ SMT เพียงไม่กี่ตัว
• การเตรียมพร้อมสำหรับอนาคต: เมื่อแพคเกจ SMT และขาต่อ THT ยังคงพัฒนาต่อไป แผ่นวงจรพิมพ์แบบผสมเทคโนโลยีจะยังคงสามารถปรับใช้ได้ทั้งกับฮาร์ดแวร์รุ่นเก่าและฟีเจอร์ล้ำสมัย

การออกแบบเพื่อความสะดวกในการผลิต (DFM) สำหรับการประกอบแบบ SMT และแบบผสม

เส้นทางจากแนวคิดสู่การผลิตแผ่นวงจรพิมพ์จำนวนมากอย่างไร้ที่ติ เต็มไปด้วยการตัดสินใจที่ซับซ้อน การออกแบบสำหรับการผลิต (Design for Manufacturability - DFM) คือชุดหลักการและแนวทางปฏิบัติที่มั่นใจได้ว่าการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์จะถูกปรับให้เหมาะสมที่สุดสำหรับการประกอบที่ปราศจากปัญหาและคุ้มค่า—ซึ่งมีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับบอร์ดแบบไฮบริดที่รวมทั้ง Surface Mount Technology (SMT) และ เทคโนโลยีผ่านรู (THT) ในโลกที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของ การผลิตอิเล็กทรอนิกส์ การดำเนิน DFM ที่เหมาะสมจะเชื่อมช่องว่างระหว่างการออกแบบประสิทธิภาพสูงและการผลิตที่เชื่อถือได้

หลักพื้นฐานของ DFM ในการประกอบแผ่นวงจรพิมพ์

DFM เริ่มต้นตั้งแต่ขั้นตอนแรกๆ ของการวางผังแผ่นวงจรพิมพ์ โดยเป้าหมายหลักคือ

• ลดความเสี่ยงของข้อผิดพลาดในการประกอบ
• ลดต้นทุนการผลิตและเวลาในการดำเนินการให้น้อยที่สุด
• มั่นใจในประสิทธิภาพของแผงวงจรที่มีความทนทานและเชื่อถือได้
• เพิ่ม ระบบอัตโนมัติในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) .
• ปรับปรุงกระบวนการทดสอบและการรับประกันคุณภาพในขั้นตอนถัดไป

1. การจัดวางแผงวงจร พื้นที่ว่าง และกฎ DFM ที่สำคัญ

การจัดวางที่เหมาะสมจะทำให้มั่นใจได้ว่าชิ้นส่วน SMT และ THT แต่ละตัวสามารถติดตั้ง เชื่อมด้วยตะกั่ว และตรวจสอบได้โดยไม่มีความเสี่ยงต่อข้อบกพร่องหรือการรบกวนกัน

• ระยะห่างระหว่างแพดขั้นต่ำ: รักษาระยะห่างที่เพียงพอระหว่างแพด SMT เพื่อป้องกันการเกิดสะพานตะกั่ว (solder bridging) และเพื่อให้การตรวจสอบด้วย SPI/AOI มีความแม่นยำ
• ระยะเว้นรอบรู: สำหรับการประกอบแบบผสมควรมีระยะห่างที่เพียงพอระหว่างรูเจาะกับแพด SMT หรือลายวงจรที่อยู่ใกล้เคียง โดยต้องคำนึงถึงความร้อนที่อาจล้ำขอบเขตในระหว่างการเชื่อมด้วยคลื่น (wave soldering) หรือการเชื่อมด้วยมือ
• ความกว้างของเส้นทางและขนาดของ Via: ถ่วงดุลความต้องการในการนำกระแสไฟฟ้ากับพื้นที่บนบอร์ดที่มีอยู่—โดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นเรื่องท้าทายบน PCB แบบหลายชั้นที่มีความหนาแน่นสูง
• การจัดกลุ่มชิ้นส่วน: จัดกลุ่มชิ้นส่วนที่คล้ายกัน (ตามหน้าที่หรือขนาด) เพื่อให้กระบวนการหยิบและวาง รวมถึงการตรวจสอบ เป็นไปอย่างราบรื่น

ตารางหลักเกณฑ์ทั่วไปสำหรับ DFM

2. กลยุทธ์การจัดการความร้อน

การออกแบบ SMT ที่มีความหนาแน่นของชิ้นส่วนสูง — และบอร์ดแบบผสมที่มีชิ้นส่วน THT สำหรับจัดการกำลังไฟฟ้า — ต้องการระบบควบคุมความร้อนอย่างชาญฉลาด:

• ไวด์ความร้อน: รูที่เคลือบด้วยทองแดงซึ่งจัดวางอย่างมีกลยุทธ์ช่วยถ่ายเทความร้อนส่วนเกินจากชิ้นส่วน SMT (เช่น BGAs หรือ power MOSFETs) ไปยังชั้นในหรือชั้นตรงข้ามของแผ่นวงจร
• การเททองแดงและการสร้างแผ่นทองแดง: เส้นทางทองแดงที่กว้างขึ้นและพื้นที่ทองแดงขนาดใหญ่ช่วยกระจายความร้อน ทำให้การระบายความร้อนดีขึ้น และเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)
• ฮีทซิงค์และแผ่นป้องกัน: สำหรับชิ้นส่วน THT ที่มีความสำคัญสูงหรือใช้กำลังวัตต์มาก ควรรวมฮีทซิงค์ทางกลหรือแผ่นป้องกันเข้ากับชุดประกอบทางกลของบอร์ด หรือพิจารณาการระบายความร้อนโดยการติดตั้งชิ้นส่วนบนบอร์ด
• การออกแบบแพดสำหรับการรีฟโลว์: สำหรับชิ้นส่วน SMD ขนาดใหญ่หรือไวต่อความร้อน การออกแบบรูปร่างแพดเฉพาะช่วยควบคุมโปรไฟล์การให้ความร้อน/เย็นตัว และประกันการบัดกรีที่สม่ำเสมอ

4. สารกันบัดกรี (Solder Mask) และสิลค์สกรีน

• มาสก์การบัดกรี: มาสก์มีความจำเป็นเพื่อป้องกันการลัดวงจรจากการบัดกรีที่แพด SMT ที่มีระยะห่างแคบ และช่วยให้มีความต่างของสีเพื่อการตรวจสอบอัตโนมัติหรือด้วยสายตา
• ซิลค์สกรีน: เครื่องหมายที่เหมาะสมจะช่วยลดความสับสนในการประกอบด้วยมือ ช่วยในการตรวจสอบด้วยเครื่อง AOI และทำให้การแก้ไขหรือเปลี่ยนชิ้นส่วนบนบอร์ดวงจรพิมพ์ในระหว่างการทดสอบและซ่อมแซมดำเนินไปได้อย่างราบรื่น

5. การจัดหาและสถานะพร้อมใช้งานของส่วนประกอบ

แผงวงจรพีซีบีที่ออกแบบมาอย่างดีจะสามารถผลิตได้ก็ต่อเมื่อส่วนประกอบมีพร้อม และระยะเวลาการจัดส่งสอดคล้องกับความต้องการในการผลิต:

• รายการชิ้นส่วนที่แนะนำ: นักออกแบบควรใช้บรรจุภัณฑ์แบบ SMT และ THT มาตรฐานที่หาง่ายทั่วไป เพื่อลดความเสี่ยงในการจัดหา
• ส่วนประกอบสำรอง: ควรระบุแหล่งจัดหาอื่นสำหรับชิ้นส่วนสำคัญเสมอ เพื่อป้องกันความล่าช้า

6. การเข้าถึงการทดสอบและตรวจสอบ

• จุดทดสอบ: รวมแผ่นทดสอบหรือหัวต่อที่เข้าถึงได้สำหรับการทดสอบวงจรและฟังก์ชันการทำงาน
• เลย์เอาต์ที่พร้อมสำหรับ AOI: ตรวจสอบให้มีระยะห่างเพียงพอสำหรับมุมกล้อง โดยเฉพาะบริเวณที่มีการจัดวางอย่างหนาแน่นและเป็นพื้นที่ผสมเทคโนโลยี

ระบบอัตโนมัติขั้นสูงและการตรวจสอบในกระบวนการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)

หรือ Surface Mount Technology (SMT) มีความสมบูรณ์แบบและทันสมัย การผลิตพีซีบี สภาพแวดล้อมได้เปลี่ยนแปลงกลายเป็นโรงงานอัจฉริยะที่ทำงานด้วยความเร็วสูงและขับเคลื่อนด้วยข้อมูล ระบบอัตโนมัติในการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เพิ่มปริมาณการผลิตสูงสุด ลดข้อผิดพลาดจากมนุษย์ และรับประกันความสม่ำเสมออย่างยิ่งยวด ในขณะเดียวกัน เทคโนโลยีตรวจสอบอัตโนมัติ รับประกันคุณภาพ ความน่าเชื่อถือ และความสอดคล้องตามมาตรฐาน แม้แต่กับแผ่นวงจรที่ซับซ้อนที่สุด ที่นี่เราจะได้ทำความเข้าใจบทบาทสำคัญของระบบอัตโนมัติและการตรวจสอบตลอดรอบการประกอบ SMT และเทคโนโลยีผสม

1. บทบาทของระบบอัตโนมัติในการประกอบ SMT

ระบบอัตโนมัติเป็นโครงสร้างหลักของการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ขั้นสูง ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตในปริมาณมากและมีความแม่นยำสูงเกินกว่าที่การประกอบด้วยมือจะทำได้

กระบวนการอัตโนมัติหลัก:

• การพิมพ์พาสต์บัดกรี:  
  • เครื่องพิมพ์อัตโนมัติรับประกันว่าแต่ละแพดจะได้รับปริมาณและความละเอียดของพาสต์บัดกรีอย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยลดปัญหาการลัดวงจรหรือการเกิดเทมเบิลสโตน (tombstoning) และรองรับการออกแบบที่มีขนาดเล็กลง
• เทคโนโลยีการหยิบและวาง:  
  • ด้วยความเร็วมากกว่า 60,000 ตำแหน่งต่อชั่วโมง เครื่องจักรเหล่านี้สามารถอ่านไฟล์ CAD เลือกชิ้นส่วน หมุนและจัดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ พร้อมทั้งตรวจสอบให้แน่ใจว่าการจัดแนวและการชนิดของชิ้นส่วนถูกต้อง
• การรวมระบบลำเลียง:  
  • แผงวงจรเคลื่อนผ่านขั้นตอนกระบวนการต่างๆ ได้อย่างไร้รอยต่อ ไม่ว่าจะเป็น การพิมพ์ตะกั่ว, การวางชิ้นส่วน, การอบรีฟโลว์ และการตรวจสอบ ลดการสัมผัสโดยมนุษย์และความเสี่ยงจากมลภาวะ
• เตาอบรีฟโลว์:  
  • ระบบควบคุมอุณหภูมิโดยอัตโนมัติช่วยให้มั่นใจได้ว่าแต่ละบอร์ดจะมีข้อต่อการบัดกรีที่สม่ำเสมอ ไม่ว่าจะมีความซับซ้อนหรือประเภทชิ้นส่วนหลากหลายเพียงใด

2. การตรวจสอบอัตโนมัติ: การรับประกันคุณภาพในระดับใหญ่

การตรวจสอบมีความสำคัญเท่าเทียมกับการวางชิ้นส่วนหรือการบัดกรี ปัจจุบัน การตรวจสอบอัตโนมัติหลายระดับถือเป็นมาตรฐาน

ก. การตรวจสอบพาสต์บัดกรี (SPI)

• ตรวจสอบการทากาวบัดกรีทุกจุดหลังขั้นตอนการพิมพ์ เพื่อยืนยันปริมาตร พื้นที่ และความสูง
• ตรวจจับปัญหาก่อนที่จะมีการติดตั้งชิ้นส่วนที่มีค่าใช้จ่ายสูง

ข. การตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ (AOI)

• ใช้ระบบถ่ายภาพความละเอียดสูงและอัลกอริธึมการรู้จำลวดลาย
• ตรวจสอบชิ้นส่วนที่ขาดหายไป จัดวางผิดตำแหน่ง หรือติดตั้งในทิศทางที่ไม่ถูกต้อง
• ตรวจสอบรอยบัดกรีสำหรับปัญหาสะพานบัดกรี ปริมาณบัดกรีไม่เพียงพอ และปรากฏการณ์ทอมบ์สโตน
• สามารถติดตั้งใช้งานได้หลังขั้นตอนการวางชิ้นส่วน และ/หรือ หลังจากการบัดกรีแบบรีฟโลว์

ค. การตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์เรย์ (AXI)

• จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่มีขั้วเชื่อมซ่อนอยู่ เช่น BGAs, QFNs และไอซีซับซ้อน
• เปิดเผยข้อบกพร่องของการเชื่อมต่อภายใน ช่องว่าง และการลัดวงจรที่มองไม่เห็นด้วย AOI

ง. การทดสอบวงจรจริงและการทดสอบเชิงหน้าที่

• ใช้โพรบที่เป็นตัวนำไฟฟ้าเพื่อยืนยันความต่อเนื่อง ความต้านทาน และค่าของชิ้นส่วน
• เครื่องทดสอบการทำงานจำลองการใช้งานอุปกรณ์ในโลกจริง เพื่อยืนยันระดับสูงขึ้น

3. การรวมระบบโรงงานอัจฉริยะและการเข้าถึงข้อมูลแบบเรียลไทม์

ความสำคัญของการเพิ่มขึ้น อุตสาหกรรม 4.0 เทคโนโลยีทำให้สายการผลิต SMT ระดับสูงส่วนใหญ่ในปัจจุบันสามารถเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลกระบวนการโดยละเอียด:

• การวิเคราะห์ผลผลิต ตัวชี้วัดแบบเรียลไทม์เกี่ยวกับคุณภาพของครีมตะกั่ว ความแม่นยำในการวางชิ้นส่วน และผลการตรวจสอบ จะช่วยระบุแนวโน้มหรือข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นก่อนที่จะส่งผลกระทบต่อผลผลิต
• การตอบกลับจากกระบวนการ เครื่องจักรสามารถปรับตัวเองหรือแจ้งเตือนผู้ปฏิบัติงานเมื่อมีสภาพแวดล้อมเปลี่ยนแปลง (เช่น ข้อผิดพลาดในการหยิบชิ้นงาน หรือการทำงานผิดปกติของหัวพ่น)
• การติดตามย้อนกลับ: หมายเลขซีเรียลและบาร์โค้ด 2 มิติบนแผงวงจรพิมพ์แต่ละแผ่น ใช้ติดตามทุกขั้นตอนกระบวนการและสถานีตรวจสอบ สนับสนุนการวิเคราะห์สาเหตุข้อผิดพลาดและการปฏิบัติตามกฎระเบียบในภาคอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์และอากาศยาน

ตาราง: เทคโนโลยีการตรวจสอบอัตโนมัติหลักและประโยชน์

4. ต้นทุนต่ำลง, ผลผลิตสูงขึ้น, ความสม่ำเสมอยอดเยี่ยม

• ลดงานแก้ไข: การตรวจจับแต่เนิ่นๆ ช่วยลดอัตราของเสียหลังการประกอบ
• รอบการผลิตสั้นลง: การตรวจสอบแบบอัตโนมัติช่วยให้สายการผลิตทำงานได้นานขึ้น โดยมีเพียงแผงวงจรที่มีข้อบกพร่องจริงๆ เท่านั้นที่จะถูกแจ้งเตือนให้มีการเข้าแทรกแซงโดยมนุษย์
• ความน่าเชื่อถือระดับสูง: การตรวจสอบอัตโนมัติอย่างเข้มงวดเพื่อให้มั่นใจว่าแผงวงจรสอดคล้องหรือเกินกว่าข้อกำหนดของลูกค้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับอุตสาหกรรม ยานยนต์ หรือการแพทย์

5. อนาคต: การเรียนรู้ของเครื่องและการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์

ผู้ผลิตชั้นนำบางรายกำลังดำเนินการ อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง (Machine Learning) เพื่อวิเคราะห์ภาพควบคุมกระบวนการและภาพตรวจสอบจำนวนหลายหมื่นภาพ โดยทำนายการสึกหรอของชิ้นส่วนเครื่องจ่าย การปัญหาของแม่พิมพ์ หรือข้อบกพร่องเล็กน้อย ก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรง สิ่งนี้หมายความว่า:

• กลยุทธ์ศูนย์ข้อบกพร่อง สำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อภารกิจ
• การทำงานได้เกือบตลอดเวลาโดยไม่มีการหยุดชะงัก แม้ในสถานที่ผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบหลากหลายรูปแบบและปริมาณสูง

พิจารณาด้านเศรษฐกิจและการประกันคุณภาพ

แรงผลักดันในการนวัตกรรม การลดขนาด และความน่าเชื่อถือในอิเล็กทรอนิกส์จะไม่สามารถดำเนินต่อไปได้หากปราศจากกรอบเศรษฐกิจที่มั่นคงและเข้มงวด การประกันคุณภาพ เทคโนโลยีการติดตั้งผิวเรียบ (SMT) และการประกอบแผงวงจรพิมพ์แบบผสมมีผลกระทบอย่างมากต่อทั้งสองด้าน ค่าผลิต และ คุณภาพสินค้า ทำให้ปัจจัยเหล่านี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับธุรกิจที่ต้องการคงความได้เปรียบในการแข่งขันในอุตสาหกรรมการผลิตอิเล็กทรอนิกส์ระดับโลก

1. การวิเคราะห์ต้นทุน: SMT, THT และการประกอบแบบผสม

หนึ่งในปัจจัยสำคัญที่สุดที่ผลักดันการนำ SMT มาใช้ — และการเลิกใช้แบบดั้งเดิมอย่างค่อยเป็นค่อยไป เทคโนโลยีผ่านรู (THT) สำหรับการประยุกต์ใช้งานส่วนใหญ่ — คือความโดดเด่นอย่างยิ่ง ประสิทธิภาพในเรื่องค่าใช้จ่าย มันนำมาซึ่งทั้งการผลิตจำนวนมากและขนาดปานกลาง

ปัจจัยต้นทุนหลัก:

2. บทบาทสำคัญของการประกันคุณภาพ (QA)

ความซับซ้อนและความหนาแน่นของสมัยใหม่ การประกอบแผงวงจรพิมพ์ SMT PCB หมายความว่าข้อบกพร่องใด ๆ — ไม่ว่าจะเล็กน้อยเพียงใด — สามารถส่งผลกระทบอย่างกว้างขวาง ตั้งแต่ประสิทธิภาพลดลงไปจนถึงความล้มเหลวด้านความปลอดภัย ดังนั้นจึงมีการผสานโปรโตคอล การประกันคุณภาพ เข้าไปในทุกขั้นตอน:

ชั้นการควบคุมคุณภาพ:

• การควบคุมระหว่างกระบวนการ: การตรวจสอบอัตโนมัติ การตรวจสอบวัสดุแบบเรียลไทม์ และโพรไฟล์รีฟโลว์ที่แม่นยำ ช่วยกำจัดข้อบกพร่องในระยะแรกส่วนใหญ่
• การตรวจสอบและการทดสอบขั้นสุดท้าย: การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติปลายสาย (AOI) การทดสอบวงจร (ICT) และบางครั้งใช้ เอ็กซ์เรย์/AXI สำหรับ BGA หรือภาคส่วนที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง
• การทดสอบความน่าเชื่อถือ: สำหรับแผงวงจรพีซีบีที่มีความสำคัญต่อภารกิจ (ทางการแพทย์ ยานยนต์ อวกาศ) จะมีการทดสอบเพิ่มเติม เช่น การหมุนเวียนทางความร้อน , การคัดกรองความเครียดจากสิ่งแวดล้อม (ESS) และการสัมผัสกับแรงดันไฟฟ้าสูง
• ระบบติดตามที่มา: หมายเลขประจำตัวและบาร์โค้ดใช้ติดตามประวัติของแต่ละแผง โดยเชื่อมโยงผลการตรวจสอบคุณภาพ (QA) เข้ากับชุดผลิตภัณฑ์เฉพาะ หรือแม้แต่หน่วยงานเดี่ยวๆ

การตรวจสอบแบบผสมผสานสำหรับการประกอบแบบผสม (SMT + THT):

การรวม SMT และ THT ต้องใช้ขั้นตอนการประกันคุณภาพแบบบูรณาการ:

• พื้นที่ SMT ตรวจสอบโดย AOI และ SPI
• ข้อต่อ THT ตรวจสอบความถูกต้องโดยการตรวจด้วยสายตา หรืออุปกรณ์ทดสอบพิเศษ
• ทำการทดสอบทางไฟฟ้าหรือการทดสอบการทำงานแบบเลือกสรรบนชิ้นส่วนที่ประกอบเสร็จแล้ว เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือในการทำงาน

3. การลดต้นทุนที่ขับเคลื่อนด้วยคุณภาพ

ผลผลิตและต้นทุนเชื่อมโยงกันอย่างแน่นแฟ้น: การตรวจจับข้อบกพร่องโดยอัตโนมัติตั้งแต่ระยะแรกช่วยป้องกันไม่ให้แผงวงจรพีซีบีที่มีตำหนิเข้าสู่ระบบ ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนได้อย่างมาก เมื่อเทียบกับการพบข้อผิดพลาดในช่วงทดสอบการทำงาน หรือแย่กว่านั้นคือหลังจากจัดส่งให้ลูกค้าแล้ว

อ้างอิง: “สำหรับเรา ความคุ้มค่าที่ยิ่งใหญ่ที่สุดไม่ได้มาจากการตัดทอนค่าใช้จ่าย แต่มาจากการป้องกันปัญหาก่อนที่จะเกิดขึ้น การวางโครงสร้างพื้นฐานด้านการรับประกันคุณภาพที่แข็งแกร่งถือเป็นการลงทุนที่คุ้มค่า เพราะช่วยลดการเรียกคืนสินค้า เพิ่มความไว้วางใจจากลูกค้า และเสริมสร้างชื่อเสียงที่ดีเยี่ยม” — ลินดา เกรย์สัน ผู้อำนวยการฝ่ายคุณภาพการผลิต ภาคอุตสาหกรรมควบคุม

4. การรับรองและข้อกำหนดตามมาตรฐาน

การรับรอง เช่น ISO 9001, IPC-A-610 และมาตรฐานเฉพาะอุตสาหกรรม (ตัวอย่างเช่น ISO/TS 16949 สำหรับอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์, ISO 13485 สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์) มีความสำคัญอย่างยิ่ง ซึ่งต้องการให้มี มาตรการรับประกันคุณภาพที่เข้มงวด การจัดทำเอกสารกระบวนการ และการตรวจสอบความถูกต้องของกระบวนการอย่างต่อเนื่อง .

• สายการผลิตที่ได้รับการรับรองเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับลูกค้าในอุตสาหกรรมที่มีการควบคุม
• การปฏิบัติตาม ROHS และ การผลิตที่ปราศจากตะกั่ว มีความจำเป็นต่อการส่งออกและความรับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อม

5. เศรษฐศาสตร์ของการขยายขนาดและการผลิตปริมาณมาก

เมื่อปริมาณเพิ่มขึ้น

• การลงทุนในอุปกรณ์ถูก amortize อย่างรวดเร็ว มากกว่าพันหรือล้านหน่วย
• การออกแบบและการออกแบบเพื่อการผลิต การลงทุนเบื้องต้นในแผนที่ที่อัตราต่อเนื่องผลิตผลตอบแทนที่สูงขึ้นในค่าใช้จ่ายในการดําเนินงานที่ต่ํากว่า
• สั่งซื้อขนาดใหญ่ทําให้สามารถจัดสรรสินค้าในเวลาที่ถูกต้อง และซื้อส่วนประกอบในปริมาณมาก โดยลดต้นทุนของใช้งานต่อแผ่น

ตาราง: ประสิทธิภาพในเรื่องค่าใช้จ่ายตามปริมาณการผลิต

6. ผลกระทบทางเศรษฐกิจจากอัตราข้อบกพร่อง

การลดลงเพียงเล็กน้อยของอัตราผลผลิตจะนำไปสู่ต้นทุนการแก้ไขและของเสียที่เพิ่มขึ้นอย่างไม่สมสัดส่วน:

ตัวอย่าง:

• อัตราผลผลิต 98% จาก 10,000 หน่วย = ต้องแก้ไขหรือเปลี่ยนใหม่ 200 หน่วย
• อัตราผลผลิต 92% = มี 800 หน่วยที่ได้รับผลกระทบ
• ที่ต้นทุนการแก้ไข 20 ดอลลาร์ต่อหน่วย การลดลงของอัตราผลผลิตจาก 98% เป็น 92% จะทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นอีก $12,000ต่อล็อต ส่งผลให้กำไรจากการตัดตอนการผลิตที่ 'ถูกกว่า' แต่กระทบคุณภาพหายไปในทันที