PCB คืออะไร? คู่มือการผลิต PCB การประกอบ และหลักการทำงานฉบับสมบูรณ์

ก.คืออะไร พีซีบี และมันทำงานอย่างไร?

A แผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นพื้นผิวที่เรียบ แข็ง หรือยืดหยุ่นที่รองรับกลไกและเชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ทางไฟฟ้าโดยใช้ร่องรอยทองแดงที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า แผ่น และจุดผ่านที่แกะสลักหรือฝากไว้บนและผ่านชั้นของวัสดุฉนวน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงตัวควบคุมทางอุตสาหกรรมไปจนถึงเครื่องมือทางการแพทย์ ทำงานเนื่องจากส่วนประกอบต่างๆ เชื่อมต่อกันด้วย PCB

วิธีการทำงานของ PCB สามารถเข้าใจได้ในสามชั้น: พื้นผิวทางกายภาพให้การสนับสนุนทางกลและการแยกทางไฟฟ้า รูปแบบชั้นทองแดงจะส่งสัญญาณไฟฟ้าและพลังงานระหว่างจุดเชื่อมต่อ และส่วนประกอบที่ติดตั้งบนบอร์ดจะทำหน้าที่อิเล็กทรอนิกส์จริง เช่น การขยายสัญญาณ การสลับกระแส การจัดเก็บข้อมูล คำแนะนำในการประมวลผล หรือการกรองสัญญาณรบกวน

วัสดุพื้นฐานของ PCB ส่วนใหญ่คือ ลามิเนตอีพ็อกซี่ไฟเบอร์กลาส FR-4 — ผ้าใยแก้วทอที่ชุบด้วยอีพอกซีเรซิน กดเป็นแผ่นแข็ง และหุ้มด้วยฟอยล์ทองแดงด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้าน FR-4 นำเสนอการผสมผสานระหว่างความแข็งแรงเชิงกล ฉนวนไฟฟ้า ความต้านทานเปลวไฟ และความเสถียรของมิติ ซึ่งเหมาะสมกับการใช้งานเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ วัสดุพิมพ์ชนิดพิเศษ ได้แก่ ลามิเนตความถี่สูง Rogers สำหรับบอร์ด RF และไมโครเวฟ, โพลิอิไมด์ (Kapton) สำหรับวงจรที่มีความยืดหยุ่น และบอร์ดที่มีแกนอะลูมิเนียมหรือแกนทองแดงรองรับสำหรับ LED กำลังสูงและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

PCB ถูกจำแนกตามจำนวนชั้นและการก่อสร้าง:

• PCB ชั้นเดียว - มีรอยทองแดงด้านเดียวเท่านั้น ใช้ในผลิตภัณฑ์เรียบง่ายราคาประหยัด เช่น อุปกรณ์จ่ายไฟ ไดรเวอร์ LED และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นพื้นฐาน
• PCB สองชั้น - ทองแดงทั้งสองด้าน เชื่อมต่อกันด้วยรูทะลุที่ชุบ เป็นประเภทที่มีการผลิตกันอย่างแพร่หลายมากที่สุด ครอบคลุมการใช้งานส่วนใหญ่ในอุตสาหกรรม ยานยนต์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค
• PCB หลายชั้น — ชั้นทองแดง 4, 6, 8 หรือมากกว่านั้นเคลือบร่วมกับวัสดุฉนวนพรีเพรก ใช้ในการออกแบบที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งข้อกำหนดการนับส่วนประกอบ ความสมบูรณ์ของสัญญาณ และการป้องกัน EMI เกินกว่าการกำหนดเส้นทางแบบสองชั้นที่สามารถทำได้ สมาร์ทโฟน เซิร์ฟเวอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านการบินและอวกาศมักใช้บอร์ด 8–16 เลเยอร์
• HDI (การเชื่อมต่อระหว่างกันความหนาแน่นสูง) PCB — บอร์ดหลายชั้นที่มีไมโครเวีย (รูเจาะด้วยเลเซอร์ที่มีขนาดเล็กถึงเส้นผ่านศูนย์กลาง 75 µm) รอยระยะพิทช์ละเอียด (ต่ำกว่า 100 µm) และจุดไวด์แบบฝังหรือแบบตาบอด ช่วยให้มีส่วนประกอบที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งจำเป็นในอุปกรณ์เคลื่อนที่ อุปกรณ์สวมใส่ และการใช้งานบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง
• PCB ที่ยืดหยุ่นและยืดหยุ่น - วงจรที่ใช้โพลีอิไมด์ซึ่งโค้งงอหรือพับเป็นรูปแบบสามมิติ ใช้ในกล้อง การปลูกถ่ายทางการแพทย์ เซ็นเซอร์การบินและอวกาศ และการใช้งานใดๆ ที่วงจรต้องสอดคล้องกับเปลือกกลไกที่ไม่ใช่ระนาบ

กระบวนการผลิต PCB: วิธีการผลิต PCB

พีซีบี manufacturing — หรือเรียกอีกอย่างว่าการผลิต PCB หรือ PCB fab — เป็นกระบวนการผลิตบอร์ดเปล่าก่อนที่จะประกอบส่วนประกอบใดๆ เริ่มต้นด้วยไฟล์การออกแบบและจบลงด้วยพื้นผิวที่มีลวดลายทองแดงเปลือยที่ผ่านการทดสอบแล้ว ซึ่งพร้อมสำหรับการประกอบ กระบวนการผลิต PCB ทั้งหมดสำหรับบอร์ด FR-4 สองด้านมาตรฐานเป็นไปตามลำดับนี้:

1. ออกแบบการสร้างไฟล์และการตรวจสอบ DFM — ผู้ออกแบบ PCB ส่งออกไฟล์ Gerber (หรือรูปแบบ ODB) โดยอธิบายแต่ละชั้นทองแดง หน้ากากประสาน ซิลค์สกรีน ตำแหน่งการเจาะ และโครงร่างของบอร์ด ผู้ผลิตจะตรวจสอบไฟล์เหล่านี้โดยเทียบกับกฎการออกแบบสำหรับการผลิต: ความกว้างและระยะห่างขั้นต่ำของร่องรอย ขนาดวงแหวนวงแหวน อัตราส่วนภาพของรูเจาะ และประสิทธิภาพการใช้แผง
2. การถ่ายภาพชั้นใน (บอร์ดหลายชั้น) — แผงลามิเนตหุ้มทองแดงเคลือบด้วยฟิล์มแห้งไวต่อแสง สัมผัสกับแสงยูวีผ่านฟิล์มโฟโตพล็อตเต็ดหรือเครื่องมือสร้างภาพด้วยเลเซอร์โดยตรง และพัฒนาเพื่อแสดงรูปแบบของวงจร จากนั้นทองแดงที่โผล่ออกมาจะถูกแกะสลักออกไปในอ่างเคมี (โดยทั่วไปคือคิวริกคลอไรด์หรือสารกัดกรดแอมโมเนีย) เหลือเพียงรูปแบบร่องรอยที่ต้องการ จากนั้นจึงถอดแนวต้านออก
3. การเคลือบ (บอร์ดหลายชั้น) — ชั้นทองแดงด้านในได้รับการตรวจสอบโดยการตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) จากนั้นจึงวางซ้อนกันตามลำดับด้วยแผ่นพรีเพก (แก้วอีพ็อกซี่ที่ผ่านการบ่มบางส่วน) ระหว่างชั้นเหล่านั้นกับฟอยล์ทองแดงด้านนอกที่ด้านบนและด้านล่าง สแต็คจะถูกกดด้วยเครื่องอัดไฮดรอลิกแบบให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 175–200°C และ 200–400 psi เป็นเวลา 60–120 นาที โดยหลอมรวมทุกชั้นให้เป็นแผงแข็งแผ่นเดียว
4. การเจาะ — เครื่องเจาะ CNC ที่ติดตั้งสว่านเกลียวคาร์ไบด์จะสร้างรูทะลุสำหรับจุดผ่านและสายส่วนประกอบ บอร์ดความหนาแน่นสูงสมัยใหม่ใช้การเจาะด้วยเลเซอร์ (เลเซอร์ CO₂ หรือ UV-YAG) สำหรับไมโครเวียที่มีขนาดเล็กกว่า 150 µm ความแม่นยำในการลงทะเบียนสว่านเป็นสิ่งสำคัญ — โดยทั่วไปพิกัดความเผื่อของตำแหน่งสำหรับการเจาะเพื่อการผลิตจะอยู่ที่ ±75 µm หรือดีกว่า
5. การสะสมทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้า (PTH — ชุบทะลุรู) — ชั้นบางๆ (1–3 µm) ของทองแดงจะถูกวางทางเคมีบนผนังรูเจาะและพื้นผิวลามิเนตเปลือยทั้งหมด ชั้นเมล็ดที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้านี้ช่วยให้ขั้นตอนการชุบด้วยไฟฟ้าตามมาเพื่อสร้างทองแดงในรูตามความหนาของการชุบที่ระบุ โดยทั่วไปขั้นต่ำ 25 µm ในกระบอกสำหรับบอร์ด IPC Class 2
6. การถ่ายภาพและการชุบชั้นนอก — พื้นผิวทองแดงด้านนอกเคลือบด้วยฟิล์มต้านทานแห้ง ถ่ายภาพ และพัฒนาเช่นเดียวกับชั้นใน ทองแดงถูกชุบด้วยไฟฟ้าเข้าไปในรอยสัมผัสและผนังรู จากนั้นจึงใช้การชุบดีบุกหรือตะกั่วดีบุกเป็นสารต้านทานการกัด หลังจากการลอกฟิล์มแห้งแล้ว ทองแดงฐานที่ไม่ต้องการจะถูกกัดออก และความต้านทานการกัดกร่อนของดีบุกจะถูกลอกออก โดยเหลือไว้ซึ่งลวดลายทองแดงขั้นสุดท้ายบนชั้นนอก
7. การประยุกต์ใช้หน้ากากประสาน — หน้ากากประสานแบบถ่ายภาพด้วยของเหลว (LPI) ได้รับการพิมพ์สกรีนหรือเคลือบม่านให้ทั่วพื้นผิวแผงทั้งหมด จากนั้นจึงนำไปเปิดเผยและพัฒนาเพื่อเปิดหน้าต่างบนแผ่นอิเล็กโทรดโดยปกปิดร่องรอยทั้งหมด หน้ากากบัดกรีให้การแยกทางไฟฟ้า ปกป้องทองแดงจากการเกิดออกซิเดชัน และป้องกันการประสานระหว่างแผ่นอิเล็กโทรดที่อยู่ติดกันระหว่างการประกอบ สีที่พบบ่อยที่สุดคือสีเขียว แม้ว่าสีดำ สีน้ำเงิน สีแดง และสีขาวจะเป็นตัวเลือกมาตรฐานก็ตาม
8. การใช้งานตกแต่งพื้นผิว — แผ่นทองแดงที่เปลือยเปล่าได้รับการเคลือบผิวเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและรับประกันความสามารถในการบัดกรี ตัวเลือกการตกแต่งหลักๆ ได้แก่: HASL (การปรับระดับการบัดกรีด้วยลมร้อน — ประหยัดที่สุด ไม่เหมาะสำหรับ SMD ระดับละเอียด), ENIG (ทองแช่นิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า — แบน, เชื่อถือได้, ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแผ่นละเอียดและแผ่น BGA), OSP (สารกันบูดในการบัดกรีแบบออร์แกนิก — ต้นทุนต่ำ, เข้ากันได้กับระดับละเอียด, หน้าต่าง reflow เดียว), ENEPIG (นิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า, แพลเลเดียมแบบไม่ใช้ไฟฟ้า, ทองแบบจุ่ม — ผิวเคลือบระดับพรีเมียมสำหรับการติดลวดและเทคโนโลยีผสม) และ เงินแช่หรือดีบุกแช่
9. การพิมพ์ซิลค์สกรีน (ตำนาน) — ตัวกำหนดอ้างอิง โครงร่างส่วนประกอบ เครื่องหมายขั้ว โลโก้ และตัวระบุการแก้ไขจะพิมพ์ด้วยอิงค์เจ็ทหรือพิมพ์สกรีนลงบนพื้นผิวบอร์ดเหนือหน้ากากประสานที่บ่มแล้ว
10. การทดสอบทางไฟฟ้า — กระดานเปลือยได้รับการทดสอบบนเครื่องโพรบแบบบินได้หรืออุปกรณ์ยึดตะปูเฉพาะที่ตรวจสอบความต่อเนื่องของตาข่ายทั้งหมดและไม่มีกางเกงขาสั้นระหว่างตาข่ายแยก IPC-9252 ควบคุมข้อกำหนดการทดสอบทางไฟฟ้าสำหรับบอร์ดเปลือย
11. การกำหนดเส้นทาง การให้คะแนน และการเซาะร่อง V — แต่ละบอร์ดจะถูกส่งจากแผงการผลิตโดยใช้เครื่องกำหนดเส้นทาง CNC หรือ V-score (ร่องรูปตัว V ที่ตัดบางส่วนผ่านแผงทั้งสองข้าง) เพื่อแยกออกหลังการประกอบ การกำหนดเส้นทางแท็บด้วยการกัดเมาส์เป็นมาตรฐานสำหรับรูปร่างบอร์ดที่ไม่ปกติ

การประกอบ PCB (PCBA) คืออะไร?

พีซีบี assembly (PCBA) เป็นกระบวนการเติม PCB เปล่าด้วยชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แล้วบัดกรีเข้าที่เพื่อสร้างแผงวงจรที่ใช้งานได้ ความแตกต่างระหว่างการผลิต PCB และการประกอบ PCB เป็นพื้นฐาน: การประดิษฐ์สร้างบอร์ด ประกอบสถานที่และเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ ก พีซีบีA (printed circuit board assembly) เป็นหน่วยที่เสร็จสมบูรณ์ — บอร์ดพร้อมส่วนประกอบและข้อต่อบัดกรี — พร้อมสำหรับการรวมเข้ากับผลิตภัณฑ์หรือสำหรับการทดสอบขั้นสุดท้าย

การประกอบ PCB สมัยใหม่ประกอบด้วยเทคโนโลยีการแนบส่วนประกอบหลักสามประการ ซึ่งมักรวมกันอยู่บนบอร์ดเดียวกัน:

• SMT (เทคโนโลยีการยึดพื้นผิว) — ส่วนประกอบที่ไม่มีสายนำหรือสายปีกนก/ตัว J-bend ที่สั้นมากจะถูกบัดกรีโดยตรงบนแผ่นอิเล็กโทรดบนพื้นผิวกระดาน SMT ช่วยให้มีความหนาแน่นของส่วนประกอบที่สูงมาก และประมวลผลทั้งหมดด้วยเครื่องจักรอัตโนมัติ ส่วนประกอบมากกว่า 90% ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เป็นประเภท SMT
• THT (เทคโนโลยีทะลุ) — ส่วนประกอบที่มีสายนำซึ่งผ่านรูเจาะและบัดกรีที่ด้านตรงข้าม THT ให้การยึดติดทางกลที่แข็งแกร่งกว่า SMT และยังคงอยู่สำหรับขั้วต่อ ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ หม้อแปลง และส่วนประกอบที่อยู่ภายใต้ความเค้นเชิงกล
• เทคโนโลยีผสมผสาน — บอร์ดในโลกแห่งความเป็นจริงส่วนใหญ่รวมส่วนประกอบ SMT และ THT เข้าด้วยกัน ซึ่งประมวลผลตามลำดับที่กำหนด: SMT ด้านหนึ่ง → รีโฟลว์ → ฟลิป → ด้าน SMT สอง → รีโฟลว์ → การแทรก THT → คลื่นหรือการบัดกรีแบบเลือกสรร

ขั้นตอนกระบวนการประกอบ PCB: ลำดับที่สมบูรณ์

กระบวนการประกอบ PCB เป็นไปตามลำดับที่กำหนดไว้อย่างดี แต่ละขั้นตอนถูกควบคุมโดยพารามิเตอร์ของกระบวนการ — ความหนาของสเตนซิล ความหนืดของเพสต์ โปรไฟล์การรีโฟลว์ อุณหภูมิของบัดกรีแบบคลื่น — ที่ต้องได้รับการควบคุมภายในข้อกำหนดเพื่อให้ได้ข้อต่อบัดกรีที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้ในอัตราการผลิตตามปริมาณ

1. การพิมพ์แบบวางประสาน — สเตนเลสสตีลหรือสเตนซิลนิกเกิลที่มีช่องตัดด้วยเลเซอร์ซึ่งสอดคล้องกับแผ่น SMT แต่ละแผ่นจะถูกจัดเรียงไว้บน PCB เปลือยในเครื่องพิมพ์แบบสกรีน ใบมีดปาดน้ำจะบังคับให้บัดกรี (สารแขวนลอยของผงโลหะผสมดีบุก-เงิน-ทองแดง หรือตะกั่วดีบุกในยานพาหนะฟลักซ์) ผ่านช่องบนแผ่นอิเล็กโทรด ความหนาของลายฉลุ (โดยทั่วไปคือ 100–150 µm) และขนาดรูรับแสงจะควบคุมปริมาตรของเพสต์ที่สะสม ปริมาณการพอกที่สม่ำเสมอเป็นตัวพยากรณ์ที่ใหญ่ที่สุดเพียงตัวเดียวของคุณภาพของข้อต่อบัดกรีดาวน์สตรีม
2. การตรวจสอบการวางประสาน (SPI) — เครื่อง 3D SPI วัดปริมาณการวาง ความสูง ความครอบคลุมของพื้นที่ และการชดเชย X-Y สำหรับทุกแพดบนกระดานทันทีหลังจากการพิมพ์ บอร์ดที่มีข้อบกพร่องในการติด — การเชื่อมต่อ ปริมาณไม่เพียงพอ หรือการลงทะเบียนผิด — จะถูกปฏิเสธหรือทำใหม่ก่อนที่จะวางส่วนประกอบ SPI ก่อนการจัดวางจะป้องกันข้อบกพร่องที่มีราคาแพงกว่ามากของส่วนประกอบที่เป็นหลุมศพหรือข้อต่อแบบเปิดที่ค้นพบหลังจากการจัดเรียงใหม่
3. การจัดวางส่วนประกอบ SMT (เลือกและวาง) — เครื่องหยิบและวางแบบอัตโนมัติจะถอดส่วนประกอบ SMT ออกจากเครื่องป้อนเทปและม้วน ถาด หรือท่อโดยใช้หัวฉีดสุญญากาศ และวางชิ้นส่วนเหล่านั้นลงบนสารบัดกรีด้วยความเร็วสูง เครื่องยิงชิปความเร็วสูงสมัยใหม่บรรลุอัตราการวางส่วนประกอบ 50,000–100,000 ชิ้นต่อชั่วโมงสำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็ก หัวกำหนดตำแหน่งที่แม่นยำสำหรับ IC ระดับละเอียด, BGA และ QFN ทำงานที่ความเร็วต่ำกว่าด้วยระบบการจัดตำแหน่งด้วยการมองเห็นซึ่งมีความแม่นยำในการจัดตำแหน่ง ±25 µm
4. การบัดกรีแบบรีโฟลว์ — กระดานที่มีประชากรเดินทางผ่านเตาอบแบบหลายโซนบนสายพานลำเลียง โปรไฟล์อุณหภูมิของเตาอบ — ทางลาดอุ่นเครื่อง โซนแช่ จุดสูงสุดของการรีโฟลว์ และอัตราการทำความเย็น — ได้รับการตั้งโปรแกรมไว้เพื่อกระตุ้นฟลักซ์ ละลายโลหะผสมบัดกรี (อุณหภูมิสูงสุด 235–250°C สำหรับ SAC305 ไร้สารตะกั่ว หรือ 210–220°C สำหรับตะกั่ว Sn63Pb37) ทำให้ส่วนปลายส่วนประกอบและแผ่น PCB เปียก จากนั้นจึงแข็งตัวเป็นข้อต่อทางโลหะวิทยาที่เชื่อถือได้ การไหลซ้ำของบรรยากาศไนโตรเจนใช้สำหรับส่วนประกอบที่ไวต่อออกซิเดชันและส่วนประกอบที่มีระยะพิทช์ละเอียด
5. การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ (AOI) — ระบบ AOI 2D หรือ 3D จะสร้างอิมเมจทุกส่วนประกอบและข้อต่อประสานบนบอร์ดแบบรีโฟลว์โดยใช้แสงที่มีโครงสร้าง กล้องหลายตัว หรือรูปสามเหลี่ยมด้วยเลเซอร์ AOI ตรวจสอบการมีอยู่ของส่วนประกอบ ขั้ว ค่า (ตามแถบสีหรือการทำเครื่องหมาย) และรูปร่างของรอยประสาน ความครอบคลุมข้อบกพร่องสำหรับระบบ AOI ที่ตั้งโปรแกรมไว้อย่างดีมักจะเกิน 95% สำหรับข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ ข้อต่อที่ซ่อนอยู่ภายใต้ BGA และ QFN จำเป็นต้องมีการตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์
6. การแทรกส่วนประกอบผ่านรู — สำหรับบอร์ดที่มีส่วนประกอบ THT ลีดตามแนวแกนและแนวรัศมีจะถูกแทรกด้วยตนเองหรือโดยเครื่องแทรกแบบหุ่นยนต์หลังจากกระบวนการรีโฟลว์ SMT ตัวเชื่อมต่อ ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าขนาดใหญ่ และหม้อแปลงไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบ THT ที่พบบ่อยที่สุดในชุดประกอบเทคโนโลยีผสม
7. การบัดกรีแบบคลื่นหรือการบัดกรีแบบเลือกสรร — บอร์ด THT ผ่านคลื่นบัดกรีที่หลอมละลาย (โดยทั่วไปที่อุณหภูมิ 250–265°ซ) ที่สัมผัสกับด้านล่างของกระดาน ทำให้ถังทะลุผ่านรูเปียก และขึ้นรูปเป็นชิ้นทั้งสองด้านของส่วนประกอบและกระดาน เครื่องบัดกรีแบบเลือกสรรใช้หัวฉีดหรือน้ำพุขนาดเล็กเพื่อบัดกรีบริเวณรูทะลุเฉพาะบนแผงที่ด้านล่างมีส่วนประกอบ SMT ที่ไม่สามารถสัมผัสกับคลื่นเต็มได้
8. การทำความสะอาด — สารฟลักซ์ที่ตกค้างจากทั้งกระบวนการรีโฟลว์และกระบวนการบัดกรีด้วยคลื่นจะถูกกำจัดออกโดยระบบล้างน้ำแบบอินไลน์หรือแบบแบทช์ การทำความสะอาดแบบกึ่งน้ำ หรือการขจัดไขมันด้วยไอ ขึ้นอยู่กับประเภทของฟลักซ์ที่ใช้ ชุดฟลักซ์แบบไม่ต้องทำความสะอาดอาจข้ามขั้นตอนนี้ แต่การทำความสะอาดเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชุดประกอบทางการแพทย์ การบินและอวกาศ และอุตสาหกรรมที่มีความน่าเชื่อถือสูง
9. การประกอบและการทำงานซ้ำด้วยตนเอง — ส่วนประกอบที่ไม่สามารถวางโดยเครื่องจักรได้ — หม้อแปลงพันมือ, ที่ยึดแบตเตอรี่, ขั้วต่อชุดสายไฟ, หมุดสวมอัด และตัวระบายความร้อนขนาดใหญ่บางตัว — ได้รับการติดตั้งด้วยตนเอง การประกอบด้วยตนเองบางส่วนภายในสายการผลิตแบบอัตโนมัติถือเป็นมาตรฐานสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีประเภทส่วนประกอบแบบผสม การปรับปรุงข้อบกพร่องที่ระบุจะดำเนินการโดยใช้สถานีปรับปรุงลมร้อน หัวแร้ง และอุปกรณ์การรีบอล BGA
10. การเคลือบตามแบบ (ตามที่ระบุไว้) — การเคลือบโพลีเมอร์ป้องกัน — อะคริลิก ซิลิโคน โพลียูรีเทน หรืออีพอกซี — เป็นแบบสเปรย์ จ่ายแบบเลือกสรร หรือเคลือบแบบจุ่มบน PCBA ที่เสร็จสมบูรณ์ เพื่อป้องกันความชื้น ฝุ่น การกัดกร่อนของสารเคมี และการควบแน่น จำเป็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ กลางแจ้ง ทางทะเล และอุตสาหกรรมที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
11. การทดสอบการทำงานและ ICT — การทดสอบในวงจร (ICT) ใช้ฟิกซ์เจอร์แบบเบดออฟเนลเพื่อตรวจสอบจุดทดสอบทั่วกระดาน และตรวจสอบค่าส่วนประกอบ ความต่อเนื่อง และการไม่มีการลัดวงจร การทดสอบการทำงานจะใช้กำลังและสัญญาณอินพุตเพื่อตรวจสอบว่าบอร์ดที่ประกอบนั้นทำหน้าที่ทางอิเล็กทรอนิกส์ตามที่ตั้งใจไว้ภายในข้อกำหนดเฉพาะ ขั้นตอนการทดสอบทั้งสองจะสร้างข้อมูลที่ใช้สำหรับการควบคุมกระบวนการและความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับ

การเลือกและวาง PCB: หัวใจสำคัญของ SMT การประกอบ Automation

พีซีบี pick and place เครื่องจักรเป็นอุปกรณ์กลางในสายการประกอบ SMT โดยคิดเป็นต้นทุนส่วนใหญ่ในสายการผลิตและกำหนดความเร็ว ความถูกต้อง และความยืดหยุ่นของการดำเนินการผลิตได้โดยตรง การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของเครื่องจักรในการหยิบและวางและวิธีการระบุจะช่วยให้วิศวกรและทีมจัดซื้อจัดจ้างสามารถจับคู่ความสามารถของอุปกรณ์ให้ตรงกับความต้องการของผลิตภัณฑ์ได้

เครื่องหยิบและวางทำงานโดยใช้หัวกำหนดตำแหน่งตั้งแต่หนึ่งหัวขึ้นไปซึ่งติดตั้งอยู่บนโครงสำหรับตั้งสิ่งของ X-Y หรือโครงสร้างป้อมปืนที่หมุนได้ แต่ละหัวมีหัวดูดสุญญากาศตามขนาดส่วนประกอบที่จะหยิบ วิชันซิสเต็มของเครื่อง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นกล้องมองด้านบนที่ได้รับแสงสว่างจากด้านล่าง จะจับส่วนประกอบหลังจากหยิบขึ้นมาเพื่อวัดตำแหน่งและมุมที่แท้จริงซึ่งสัมพันธ์กับศูนย์กลางของหัวฉีด และชดเชยค่าออฟเซ็ตของกระบะก่อนวางส่วนประกอบบนกระดานที่พิมพ์แบบแปะ

หมวดหมู่เครื่องสะท้อนถึงข้อดีระหว่างความเร็วและความแม่นยำของตำแหน่ง:

• นักยิงชิปความเร็วสูง — หัวป้อมปืนแบบหลายหัวฉีดหมุนได้ โดยวางส่วนประกอบแบบพาสซีฟ 0402, 0201 และ 01005 ที่ 50,000–120,000 CPH (ส่วนประกอบต่อชั่วโมง) ความแม่นยำของตำแหน่ง ±50–75 µm ที่ 3σ
• เครื่องจัดวางที่ยืดหยุ่น — หัวควบคุมหลายหัวที่ควบคุมอย่างเป็นอิสระสำหรับจัดการส่วนประกอบตั้งแต่ 01005 ถึง 50×50 มม. 10,000–30,000 ซีพีเอช; ความแม่นยำ ±25–50 µm ที่ 3σ; เครื่องจักรเทียมสำหรับแผงส่วนประกอบแบบผสม
• Placers ที่มีความแม่นยำสูง — เครื่องจักรเฉพาะสำหรับ CSP ระดับละเอียด ชิปฟลิป และส่วนประกอบทางแสง 1,000–5,000 ซีพีเอช; ความแม่นยำ ±10–15 µm ที่ 3σ พร้อมการจัดตำแหน่งที่ใช้งานอยู่

ตัวป้อนส่วนประกอบ — ตัวป้อนแบบเทปและม้วนสำหรับส่วนประกอบ SMD บนเทปพาหะขนาด 8, 12, 16 หรือ 24 มม. ถาดเมทริกซ์สำหรับแพ็คเกจ IC และเครื่องป้อนแบบแท่งหรือแบบท่อสำหรับ DIP และส่วนประกอบแบบตัวเชื่อมต่อ — กำหนดความจุของส่วนประกอบต่างๆ ของเครื่อง เส้นหยิบและวางที่ได้รับการกำหนดค่าอย่างดีสำหรับ PCBA ที่ซับซ้อนอาจรันตำแหน่งตัวป้อน 100–200 ตำแหน่งพร้อมกัน โดยมีการแจ้งเตือนการเปลี่ยนตัวป้อนอัตโนมัติที่ทริกเกอร์โดยตัวนับชิ้นส่วนต่ำ

การออกแบบและการประกอบ PCB: การตัดสินใจออกแบบส่งผลต่อความสามารถในการผลิตอย่างไร

พีซีบี design and assembly มีความสัมพันธ์กันอย่างลึกซึ้ง การตัดสินใจออกแบบที่ทำในซอฟต์แวร์ EDA — ขนาดแผ่น ระยะห่างส่วนประกอบ ผ่านการจัดวาง ตำแหน่งแผง การเข้าถึงจุดทดสอบ — กำหนดโดยตรงว่าบอร์ดสามารถประกอบได้ตามเป้าหมายผลผลิตและต้นทุน หรือจะสร้างข้อบกพร่องเรื้อรังและการทำงานซ้ำในสายการผลิตหรือไม่

หลักการออกแบบเพื่อการประกอบ (DFA) ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่นักออกแบบ PCB ทุกคนควรใช้:

• ความสอดคล้องของการวางแนวส่วนประกอบ — การจัดตำแหน่งส่วนประกอบโพลาไรซ์ทั้งหมด (คาปาซิเตอร์ ไดโอด ไอซี) ในทิศทางเดียวกันจะช่วยลดเวลาในการตั้งโปรแกรมตำแหน่งและความเสี่ยงจากข้อผิดพลาดของมนุษย์ได้อย่างมาก ตัวบ่งชี้ส่วนประกอบพิน 1 ทั้งหมดในทิศทางมุมเดียวเป็นรูปแบบการจัดวางที่เป็นมิตรต่อการประกอบมากที่สุด
• ระยะห่างจากลานบ้านเพียงพอ — มาตรฐานรูปแบบที่ดิน IPC-7351 กำหนดขอบเขตของลานส่วนประกอบ การละเมิดระยะห่างระหว่างส่วนประกอบที่อยู่ติดกันจะป้องกันไม่ให้หัวฉีดหยิบและวางออกจากส่วนประกอบข้างเคียง และบังคับให้จัดวางด้วยตนเองหรือวิธีแก้ปัญหาลำดับการประกอบ
• เครื่องหมายความไว้วางใจ — ต้องมี fiducials ทั่วโลกอย่างน้อยสามอัน (วงกลมทองแดง 1 มม. ในช่องเปิดหน้ากากประสานที่ชัดเจน) ในมุมทั้งสามของแผงและ fiducials ในพื้นที่ที่อยู่ติดกับ IC ระดับละเอียดและ BGA จำเป็นสำหรับการลงทะเบียนวิชันซิสเต็มที่แม่นยำ fiducials ที่ขาดหายไปเป็นหนึ่งในความล้มเหลวของอินเทอร์เฟซระหว่างการผลิตและการประกอบที่พบบ่อยที่สุด
• การหลีกเลี่ยงผ่านแผ่น — การวางจุดผ่านภายในแผ่น SMT จะทำให้ลวดบัดกรีดึงไส้ผ่านบาร์เรลในระหว่างการรีโฟลว์ ทำให้ข้อต่อของโลหะบัดกรีขาด และสร้างการเชื่อมต่อแบบเปิดหรืออ่อน ในกรณีที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยง via-in-pad สำหรับความหนาแน่นของเส้นทางได้ via-in-pad จะต้องถูกเติมและปิดท้ายระหว่างการผลิต PCB ก่อนการประกอบ
• ตำแหน่งจุดทดสอบ — การระบุตำแหน่งแผ่นทดสอบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำสุด 1 มม. ที่เข้าถึงได้สำหรับทุกตาข่ายบนตารางจุดทดสอบเฉพาะ ช่วยให้สามารถยึด ICT ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดช่องว่างที่ครอบคลุมการทดสอบการทำงานได้อย่างมาก

ต้นแบบและการประกอบ PCB: ตั้งแต่ไฟล์การออกแบบไปจนถึงการสร้างครั้งแรก

พีซีบี prototype and assembly บริการเชื่อมช่องว่างระหว่างการออกแบบที่เสร็จสมบูรณ์และผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการตรวจสอบและผลิตได้ การสร้างต้นแบบให้บริการชุดลำดับความสำคัญที่แตกต่างจากการผลิตในปริมาณมาก โดยเน้นที่ความเร็วถึงบทความแรก ความยืดหยุ่นในการจัดการการเปลี่ยนแปลงทางวิศวกรรม และการเข้าถึงข้อมูลกระบวนการที่แจ้งการแก้ไขการออกแบบ

โดยทั่วไปกระบวนการต้นแบบ PCB จะเป็นไปตามไทม์ไลน์นี้สำหรับบอร์ด FR-4 มาตรฐาน 4 เลเยอร์:

• พีซีบี fabrication — 24–72 ชั่วโมงสำหรับการผลิตต้นแบบแบบเร่งด่วน เวลานำมาตรฐานคือ 5-10 วันทำการ ผู้ผลิตต้นแบบส่วนใหญ่เสนอการตรวจสอบ DFM ออนไลน์และการเสนอราคาทันทีโดยอิงตามการอัปโหลดไฟล์ Gerber
• การจัดซื้อส่วนประกอบ — เส้นทางวิกฤติสำหรับต้นแบบส่วนใหญ่ ไอซีที่มีระยะเวลารอคอยนาน (FPGA, ASIC เฉพาะทาง, ไอซีการจัดการพลังงาน) อาจต้องใช้เวลา 8-16 สัปดาห์นับจากสต็อกการจัดจำหน่ายหรือคำสั่งซื้อจากโรงงาน การสร้างต้นแบบมักจะใช้สินค้าคงคลังทางวิศวกรรมที่มีอยู่หรือยอมรับการทดแทนพาสซีฟที่ไม่สำคัญเพื่อเร่งกำหนดการสร้าง
• Assembly — การประกอบต้นแบบ (โดยทั่วไปคือ 1-20 บอร์ด) จะได้รับการประมวลผลบนสายการผลิต SMT เดียวกันกับการผลิต แต่ไม่มีการลงทุนด้านจิ๊กและฟิกซ์เจอร์เต็มรูปแบบ การพิมพ์ลายฉลุทำได้โดยใช้ลายฉลุที่มีกรอบหรือฟอยล์แบบไม่มีกรอบซึ่งตึงในที่ยึดอเนกประสงค์ การเขียนโปรแกรมเลือกและวางจะดำเนินการจากไฟล์พิกัด centroid/XY และ BOM ที่มาพร้อมกับแพ็คเกจ Gerber
• การประกอบด้วยมือบางส่วน — ปริมาณต้นแบบมักจะรวมถึงส่วนประกอบที่ยังไม่ได้อยู่บนเทปป้อน (ชิ้นส่วนที่หลวมในแถบตัด ปริมาณถุงและฉลาก หรือตัวอย่างทางวิศวกรรม) ที่ต้องวางมือ ช่างประกอบต้นแบบที่มีประสบการณ์สามารถวางส่วนประกอบ 0402 และแม้แต่ 0201 ใต้กล้องจุลทรรศน์ และแพ็คเกจ QFP และ QFN ระยะพิทช์ละเอียดที่บัดกรีด้วยมือ ซึ่งเป็นความสามารถที่ทำให้โรงต้นแบบที่มีความสามารถแตกต่างจากโรงงานผลิตที่มีปริมาณบริสุทธิ์

พีซีบีA manufacturing ในขั้นตอนต้นแบบมักเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบที่ไม่ได้มาตรฐาน เช่น ขั้วต่อแบตเตอรี่ ขั้วต่ออินเทอร์เฟซการแสดงผล FFC/FPC ตัวยึดแบบ snap-fit และขั้วต่อโคแอกเซียล RF ซึ่งโดยทั่วไปแล้วทั้งหมดจะประกอบด้วยมือ การผสมผสานระหว่าง SMT แบบอัตโนมัติและการประกอบแบบแมนนวลบางส่วนสำหรับตัวเชื่อมต่อ หน้าจอ แบตเตอรี่ และตัวเครื่องแบบพิเศษเป็นโหมดมาตรฐานสำหรับการสร้างต้นแบบและการผลิตในปริมาณน้อย และผู้ผลิตตามสัญญาส่วนใหญ่จัดโครงสร้างบริการต้นแบบของตนเพื่อรองรับขั้นตอนการทำงานแบบผสมนี้โดยไม่มีค่าธรรมเนียมพิเศษ

การประกอบ PCB และการบัดกรี: เปรียบเทียบวิธีการรีโฟลว์ คลื่น และการคัดเลือก

การบัดกรีเป็นกระบวนการเชื่อมแกนหลักในการประกอบ PCB และวิธีการที่เลือกสำหรับข้อต่อแต่ละประเภทมีผลกระทบที่สำคัญต่อคุณภาพของข้อต่อ ความเครียดจากความร้อนต่อส่วนประกอบ และผลผลิตของกระบวนการ หลักสาม พีซีบี assembly and soldering แต่ละวิธีระบุประเภทส่วนประกอบและการกำหนดค่าบอร์ดที่แตกต่างกัน

วิธีการบัดกรียังกำหนดข้อกำหนดจำเพาะของโลหะผสมด้วย SAC305 (ดีบุก 96.5% เงิน 3% ทองแดง 0.5%) เป็นโลหะผสมไร้สารตะกั่วที่โดดเด่นสำหรับการใช้งานแบบรีโฟลว์และคลื่นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์ โดยมีจุดหลอมเหลวที่ 217°C มีคุณสมบัติทางกลที่ดี และเข้ากันได้กับพื้นผิว PCB ส่วนใหญ่ Sn63Pb37 หัวแร้งยูเทคติก (จุดหลอมเหลว 183°C) ยังคงใช้งานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการทหาร การบินและอวกาศ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์แบบดั้งเดิมภายใต้การยกเว้น RoHS โดยที่ความต้านทานความล้าจากความร้อนที่เหนือกว่าและอุณหภูมิในการประมวลผลที่ต่ำกว่านั้นให้คุณค่ามากกว่าข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อม

วิธีใช้บอร์ด PCB: แนวทางบูรณาการ การทดสอบ และการจัดการ

เมื่อจัดส่ง PCBA แล้ว การจัดการที่ถูกต้อง การรวมระบบ และขั้นตอนการเพิ่มพลังเบื้องต้นจะพิจารณาว่า PCBA ทำงานตามที่ออกแบบไว้ตั้งแต่การใช้งานครั้งแรกหรือไม่ แนวทางต่อไปนี้ใช้กับวิศวกร ช่างเทคนิค และนักพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ทำงานกับ PCB ที่ประกอบแล้ว

• ข้อควรระวัง ESD — จัดการ PCBA ที่เวิร์กสเตชัน ESD ที่ต่อสายดินโดยสวมสายรัดข้อมือ ตรรกะ CMOS, MOSFET และส่วนประกอบ RF อาจได้รับความเสียหายอย่างถาวรจากเหตุการณ์การปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตที่ต่ำกว่า 100 V ซึ่งต่ำกว่าเกณฑ์การรับรู้ของมนุษย์มาก เก็บบอร์ดไว้ในถุงป้องกันไฟฟ้าสถิตหรือโฟมนำไฟฟ้าเมื่อไม่ใช้งาน
• การตรวจสอบด้วยสายตาก่อนเปิดเครื่อง — ตรวจสอบว่าไม่มีสะพานประสานที่มองเห็นได้ระหว่างแผ่นอิเล็กโทรดที่อยู่ติดกัน ไม่มีส่วนประกอบที่ขาดหาย ไม่มีแผ่นอิเล็กโทรดร้าวหรือยกขึ้น และไม่มีวัสดุแปลกปลอมที่มองเห็นได้ (ลูกบัดกรี ลวดตัด) บนพื้นผิวกระดาน กล้องจุลทรรศน์ขนาด 10× หรือกล้องจุลทรรศน์ดิจิตอลนั้นเพียงพอสำหรับการตรวจสอบเบื้องต้น
• ขั้นตอนการเพิ่มพลังเบื้องต้น — จ่ายไฟผ่านแหล่งจ่ายแบบจำกัดกระแสซึ่งอยู่เหนือการดึงกระแสไฟขณะไม่ได้ใช้งานที่คาดไว้ของบอร์ดเล็กน้อย กระแสไฟที่พุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็วระหว่างการเปิดเครื่อง — โดยเฉพาะกระแสที่ทำให้เกิดขีดจำกัดกระแส — บ่งชี้ถึงสะพานประสานหรือส่วนประกอบที่ลัดวงจรซึ่งจะต้องค้นหาตำแหน่งและแก้ไขก่อนการทำงานตามปกติ
• แรงผสมพันธุ์ของตัวเชื่อมต่อ — อย่าบังคับขั้วต่อ ขั้วต่อริบบิ้น FFC/FPC ขั้วต่อแบบบอร์ดต่อบอร์ด และขั้วต่อ I/O แบบละเอียดได้รับความเสียหายได้ง่ายจากการวางแนวที่ไม่ตรง ตรวจสอบการวางแนวของตัวเชื่อมต่อกับคำอธิบายซิลค์สกรีนก่อนผสมพันธุ์
• การจัดการความร้อน — ตรวจสอบให้แน่ใจว่าฮีทซิงค์ วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน หรือเส้นทางการไหลของอากาศที่ระบุในการออกแบบนั้นอยู่ในตำแหน่งก่อนการทำงานอย่างต่อเนื่อง เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้าทำงาน ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า หรือเครื่องขยายสัญญาณ RF ที่ไม่มีข้อกำหนดการจัดการระบายความร้อนจะเกินขีดจำกัดอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อภายในไม่กี่วินาทีถึงนาที
• ความไวต่อความชื้น — ไอซีที่มีระดับ MSL (ระดับความไวต่อความชื้น) สูงกว่า MSL-1 จะต้องอบก่อนทำการรีโฟลว์ หากไอซีสัมผัสกับความชื้นโดยรอบเกินช่วงอายุการใช้งานของพื้น สิ่งนี้ใช้กับกระบวนการประกอบ ไม่ใช่การใช้งานขั้นสุดท้าย PCBA ที่ประกอบแล้วไม่ไวต่อความชื้นที่อุณหภูมิการทำงานปกติ