อธิบายการประกอบ PCB: ผังกระบวนการ วิธีการบัดกรี และการทดสอบ

การประกอบ พีซีบี (มักเรียกสั้น ๆ ว่า PCBA) คือกระบวนการเติมแผงวงจรพิมพ์เปลือยที่มีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไอซี ตัวเชื่อมต่อ แล้วบัดกรีเข้าที่เพื่อสร้างวงจรการทำงาน ตัวบอร์ดเปล่าซึ่งบางครั้งเรียกว่า PCB เป็นเพียงสารตั้งต้นที่มีรอยทองแดงฝังอยู่ มันจะกลายเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานได้หลังจากการประกอบ การบัดกรี และการทดสอบเสร็จสิ้นเท่านั้น

PCB กับ PCBA: ทำความเข้าใจความแตกต่าง

คำว่า "PCB" และ "PCBA" มักใช้สลับกัน แต่หมายถึงขั้นตอนต่างๆ ของผลิตภัณฑ์เดียวกัน ก PCB (แผงวงจรพิมพ์) คือแผ่นกระดานที่ไม่มีคนอยู่ — ชั้นของไฟเบอร์กลาสหรือวัสดุซับสเตรตอื่นๆ ที่มีเส้นทางนำไฟฟ้าด้วยทองแดง หน้ากากประสาน และเครื่องหมายซิลค์สกรีน แต่ไม่มีส่วนประกอบติดอยู่ ก PCBA (การประกอบแผงวงจรพิมพ์) คือบอร์ดเดียวกันหลังจากติดตั้งและบัดกรีส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมดแล้ว พร้อมที่จะติดตั้งเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายหรือทดสอบเป็นวงจรแบบสแตนด์อโลน

ความแตกต่างนี้มีความสำคัญในการจัดหาบริการด้านการผลิต เนื่องจาก "การผลิต PCB" โดยทั่วไปหมายถึงเฉพาะการผลิตแผ่นเปลือยเท่านั้น ในขณะที่ "การประกอบ PCB" หรือ "บริการ PCBA" รวมถึงการจัดหาส่วนประกอบ การจัดวาง และการบัดกรีที่ด้านบนของบอร์ดที่ประดิษฐ์นั้น

ผังกระบวนการผลิตและการประกอบ PCB

โดยทั่วไปกระบวนการ PCB-to-PCBA ที่สมบูรณ์จะดำเนินไปตามลำดับขั้นตอนที่แตกต่างกัน โดยแต่ละขั้นตอนจะมีจุดตรวจสอบคุณภาพของตัวเองก่อนที่บอร์ดจะย้ายไปยังขั้นตอนถัดไป:

1. การออกแบบและการตรวจสอบ DFM: การออกแบบวงจร (ไฟล์แผนผังและเลย์เอาท์ โดยทั่วไปจะเป็นรูปแบบ Gerber) ได้รับการตรวจสอบความสามารถในการผลิต ความกว้างของรอยตัด ขนาดรู และระยะห่างของส่วนประกอบต้องเป็นไปตามความสามารถของผู้ผลิต
2. การผลิตแผ่นเปลือย: ชั้นทองแดงถูกแกะสลัก ชั้นต่างๆ ถูกเคลือบเข้าด้วยกันสำหรับบอร์ดหลายชั้น เจาะรูและชุบ ใช้หน้ากากประสานและซิลค์สกรีน และบอร์ดถูกตัดให้เป็นรูปร่างสุดท้าย
3. การประยุกต์ใช้การวางประสาน: สำหรับการประกอบแบบยึดบนพื้นผิว จะมีการทาสารบัดกรีบนแผ่นอิเล็กโทรดผ่านลายฉลุโดยใช้เครื่องพิมพ์แบบสกรีน ทำให้เกิดการสะสมตัวที่แม่นยำในทุกตำแหน่งของส่วนประกอบ
4. ตำแหน่งส่วนประกอบ: เครื่องหยิบและวางจะวางตำแหน่งส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิวไว้บนสารบัดกรีเปียกโดยใช้หัวฉีดสุญญากาศ ซึ่งได้รับคำแนะนำจากโปรแกรมการจัดวางที่สร้างจากไฟล์การออกแบบ
5. การบัดกรีแบบรีโฟลว์: แผงที่ประกอบเข้าจะผ่านเตาอบ reflow ที่มีโซนอุณหภูมิหลายโซน ละลายสารบัดกรีเพื่อสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและทางกลอย่างถาวร จากนั้นจึงทำให้เย็นลงเพื่อทำให้ข้อต่อแข็งตัว
6. การแทรกส่วนประกอบผ่านรูและการบัดกรีแบบคลื่น/มือ: ส่วนประกอบขนาดใหญ่ที่มีลีดที่ทะลุผ่านรูเจาะจะถูกสอดเข้าไป จากนั้นจึงบัดกรีโดยการบัดกรีแบบคลื่น (บอร์ดผ่านคลื่นของการบัดกรีที่หลอมเหลว) หรือด้วยมือสำหรับส่วนประกอบที่มีปริมาณน้อยหรือมีความละเอียดอ่อน
7. การตรวจสอบและทดสอบ: การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์สำหรับข้อต่อที่ซ่อนอยู่ (เช่น แพ็คเกจ BGA) และการทดสอบการทำงานหรือในวงจรช่วยยืนยันว่าชุดประกอบตรงตามข้อกำหนด
8. การทำความสะอาดและบรรจุภัณฑ์ขั้นสุดท้าย: สารตกค้างของฟลักซ์จะได้รับการทำความสะอาดหากจำเป็น และบอร์ดจะถูกบรรจุในถุงหรือถาดป้องกันไฟฟ้าสถิต เพื่อการขนส่งหรือการรวมเข้าด้วยกันเพิ่มเติม

SMT เทียบกับการบัดกรีแบบทะลุผ่านรู: การเลือกวิธีการที่เหมาะสม

แอสเซมบลี PCB ที่ทันสมัยส่วนใหญ่จะรวมวิธีการบัดกรีสองวิธีเข้าด้วยกัน และการทำความเข้าใจว่าแต่ละวิธีถูกนำมาใช้เมื่อใดช่วยอธิบายได้ว่าเหตุใดบอร์ดตัวเดียวจึงมักจะต้องผ่านการบัดกรีหลายขั้นตอนการบัดกรีแทนที่จะเป็นเพียงขั้นตอนเดียว

ตัวเชื่อมต่อ สวิตช์ และส่วนประกอบต่างๆ ที่ต้องเผชิญกับความเครียดเชิงกลซ้ำๆ (เช่น การเสียบและการถอดสายเคเบิล) โดยทั่วไปแล้วจะเป็นรูทะลุแม้จะอยู่บนบอร์ดที่เน้น SMT ก็ตาม เนื่องจากลีดที่ผ่านบอร์ดทำให้การยึดเชิงกลแข็งแกร่งกว่าแผ่นยึดบนพื้นผิวเพียงอย่างเดียว

วิธีการตรวจสอบและทดสอบที่ใช้ในการประกอบ PCB

การควบคุมคุณภาพไม่ใช่ขั้นตอนเดียวในตอนท้ายของสายการผลิต — มันถูกสร้างไว้ในจุดตรวจสอบหลายจุดตลอดการประกอบ เนื่องจากการตรวจจับข้อบกพร่องตั้งแต่เนิ่นๆ (เช่น ข้อผิดพลาดในการติดตั้งสารบัดกรี) มีราคาถูกกว่าการค้นพบหลังจากการประกอบแบบเต็มมาก

• การตรวจสอบการวางประสาน (SPI): ตรวจสอบปริมาณการวางและการวางทันทีหลังจากการพิมพ์ลายฉลุ ก่อนที่จะวางส่วนประกอบ
• การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI): ใช้กล้องเพื่อตรวจสอบการมีอยู่ของส่วนประกอบ การวางแนว และคุณภาพของรอยประสานหลังจากวางและจัดเรียงใหม่
• การตรวจเอ็กซ์เรย์: จำเป็นสำหรับส่วนประกอบที่มีข้อต่อบัดกรีซ่อนอยู่ใต้บรรจุภัณฑ์ เช่น ชิป Ball Grid Array (BGA) โดยที่ AOI ไม่สามารถมองเห็นการเชื่อมต่อได้
• การทดสอบในวงจร (ICT): ใช้ฟิกซ์เจอร์ฐานตะปูเพื่อตรวจสอบการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและค่าส่วนประกอบกับข้อกำหนดการออกแบบ
• การทดสอบการทำงาน (FCT): จ่ายไฟให้กับบอร์ดและตรวจสอบว่าทำงานได้ตามที่ตั้งใจไว้ โดยจำลองสภาพการทำงานในโลกแห่งความเป็นจริง

จากบอร์ดเปลือยไปจนถึงวงจรการทำงาน: วิธีการใช้งาน PCB สำเร็จรูป

เมื่อการประกอบ PCB เสร็จสมบูรณ์ "การใช้" ขึ้นอยู่กับบทบาทในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย PCBA ที่เสร็จแล้วสามารถทำหน้าที่เป็นบอร์ดควบคุมแบบสแตนด์อโลน (เช่น โมดูลจ่ายไฟ) หรือสามารถรวมเข้ากับกล่องผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ขึ้น โดยจะเชื่อมต่อกับบอร์ด จอแสดงผล หรือส่วนประกอบอินพุต/เอาท์พุตอื่นๆ ผ่านทางตัวเชื่อมต่อและสายแพ

ขั้นตอนการปฏิบัติสำหรับการรวม PCB ที่ประกอบเข้ากับระบบโดยทั่วไปจะประกอบด้วย:

• การติดตั้งบอร์ดอย่างแน่นหนาโดยใช้รูสำหรับติดตั้งที่กำหนด พร้อมด้วยสแตนด์ออฟหรือสเปเซอร์ เพื่อป้องกันไม่ให้ทองแดงด้านล่างสัมผัสกับกล่องหุ้มที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า
• การเชื่อมต่อกำลังไฟเข้าตามเครื่องหมายแรงดันไฟฟ้าและขั้วบนบอร์ด - ขั้วกลับด้านเป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของความล้มเหลวของบอร์ดทันทีเมื่อเปิดเครื่องครั้งแรก
• การตรวจสอบตัวเชื่อมต่อสัญญาณและส่วนหัวว่าตรงกับเอกสารประกอบ pinout ก่อนที่จะเชื่อมต่อบอร์ดหรือเซ็นเซอร์ต่อพ่วง
• ดำเนินการตรวจสอบการเพิ่มกำลังเริ่มต้นด้วยกำลังไฟที่จำกัดในปัจจุบันหากเป็นไปได้ คอยสังเกตความร้อนที่ไม่คาดคิดบนส่วนประกอบใดๆ ซึ่งอาจบ่งบอกถึงการลัดวงจรหรือการวางชิ้นส่วนไม่ถูกต้อง

สำหรับบอร์ดที่ต้องการตั้งโปรแกรมใหม่หรือกำหนดค่า (เช่น บอร์ดที่มีไมโครคอนโทรลเลอร์ออนบอร์ด) โดยทั่วไปชุดประกอบจะมีส่วนหัวการโปรแกรมหรือจุดทดสอบสำหรับจุดประสงค์นี้โดยเฉพาะ ช่วยให้สามารถโหลดเฟิร์มแวร์ได้หลังจากชุดประกอบเสร็จสมบูรณ์และก่อนการทดสอบการทำงานขั้นสุดท้าย