Processus de sélection et de placement dans la technologie de montage de surface (SMT): principes fondamentaux, défis techniques et avenir

Le processus de Pick and Place (Technologie de Montage en Surface) est le maillon central de la technologie de montage en surface (SMT), qui monte avec précision des composants microélectroniques aux positions désignées sur le circuit imprimé (PCB) grâce à des équipements automatisés de haute précision. Ce processus détermine directement la fiabilité, l'efficacité de la production et le degré d'intégration des produits électroniques. Avec le développement de la communication 5G, de l'Internet des objets et de l'électronique automobile, la technologie Pick and Place a continuellement franchi les limites de la précision et de la vitesse, devenant la pierre angulaire de la fabrication électronique moderne. Cet article analysera de manière exhaustive le mécanisme de fonctionnement et l'orientation du développement de ce processus à partir d'aspects tels que la structure de l'équipement, le principe de fonctionnement, les principaux défis techniques et les tendances futures.

Le dispositif Pick and Place (machine de montage en surface) fonctionne en collaboration grâce à de multiples modules de précision, et sa structure de base comprend :

Le système d'alimentation achemine les composants dans le ruban, le tube ou le plateau vers la position de prélèvement via le Feeder. Le chargeur à ruban utilise des engrenages pour entraîner le ruban de matériau afin d'assurer l'alimentation continue des composants. Le chargeur vibrant ajuste le rythme d'alimentation par la fréquence de vibration (200-400 Hz).

La machine de placement de la technologie de montage en surface (SMT) est équipée de caméras haute résolution et d'algorithmes de traitement d'images. En identifiant les points de repère et les caractéristiques des composants sur le PCB (tels que l'espacement des broches et les marquages de polarité), elle atteint une précision de positionnement submicronique (inférieure à ±15 µm). Par exemple, la technologie d'alignement de la vision en vol peut effectuer l'identification des composants pendant le mouvement du bras robotique, et la vitesse de montage peut atteindre jusqu'à 150 48 points par heure.

La tête de placement adopte une conception parallèle de plusieurs buses d'aspiration (généralement de 2 à 24 buses d'aspiration), et adsorbe les composants grâce à une pression négative sous vide (-70 kpa à -90 kpa). Les composants de différentes tailles doivent être associés à des buses d'aspiration dédiées : les composants 0402 utilisent des buses d'aspiration avec une ouverture de 0,3 mm, tandis que les composants plus grands tels que les QFP nécessitent des buses d'aspiration plus grandes pour augmenter la force d'adsorption de 79.

Le système d'entraînement servo à trois axes X-Y-Z, en combinaison avec le rail de guidage linéaire, permet un mouvement précis à grande vitesse (≥30 000 CPH). Par exemple, dans la zone des composants de grande taille, la vitesse de déplacement est réduite pour minimiser l'influence de l'inertie, tandis que dans la zone des micro-composants, un algorithme d'optimisation de trajectoire à grande vitesse est adopté pour améliorer l'efficacité 910.

Le processus de Pick and Place doit être étroitement coordonné avec les processus frontaux et dorsaux. Les étapes clés comprennent :

La pâte à souder est imprimée sur les pastilles du PCB à travers le treillis d'acier laser (avec une erreur d'ouverture de ≤5 %). La pression de la raclette (3-5 kg/cm²) et la vitesse d'impression (20-50 mm/s) affectent directement l'épaisseur de la pâte à souder (avec une erreur de ±15 %). Après l'impression, le volume et la forme sont garantis pour répondre à la norme 410 grâce à l'inspection 3D de la pâte à souder (SPI).

Après que la tête de placement a prélevé les matériaux du Feida, le système visuel corrige le décalage angulaire des composants (compensation de rotation de l'axe θ), et la pression de placement (0,3-0,5 N) doit être contrôlée avec précision pour éviter l'effondrement de la pâte à souder. Par exemple, la puce BGA nécessite une conception de trou d'échappement supplémentaire pour optimiser l'effet de soudure 410.

Le four de soudure par refusion est divisé en quatre étapes : préchauffage, immersion, refusion et refroidissement. La température de pointe (235-245 °C pour le processus sans plomb) doit être maintenue avec précision pendant 40 à 90 secondes. La vitesse de refroidissement (4-6 °C/s) est utilisée pour empêcher la fragilisation du joint de soudure. La vitesse du moteur à air chaud (1 500-2 500 tr/min) assure l'uniformité de la température (±5 °C) 410.

L'inspection optique automatique (AOI) identifie les défauts tels que le décalage et les fausses soudures grâce à des sources de lumière multi-angles, avec un taux d'erreur inférieur à 1 %. L'inspection aux rayons X (AXI) est utilisée pour l'analyse des défauts internes des joints de soudure cachés tels que les BGA. Le processus de réparation utilise des pistolets à air chaud et des fers à souder à température constante. Après la réparation, une vérification secondaire au four est requise.

Malgré la maturité de la technologie, Pick and Place est toujours confronté aux principaux défis suivants :

Le composant 01005 (0,4 mm*0,2 mm) nécessite une précision de montage de ±25 µm. Un treillis d'acier à l'échelle nanométrique (épaisseur ≤50 µm) et une technologie de buse d'aspiration sous vide adaptative doivent être adoptés pour éviter l'envol ou la déviation des matériaux 410.

Pour l'emballage QFN, le treillis d'acier doit être aminci à 0,1 mm et des trous d'échappement doivent être ajoutés. L'emballage empilé 3D (tel que SiP) nécessite que la machine de montage en surface prenne en charge l'alignement multicouche, et la précision du perçage laser doit être inférieure à 0,1 mm 410.

Le temps de refusion des composants tels que les LED doit être raccourci de 20 % pour éviter le jaunissement des lentilles. La protection à l'azote (teneur en oxygène ≤1 000 ppm) dans la soudure à l'air chaud peut réduire les fausses soudures causées par l'oxydation 47.

L'intelligence artificielle sera profondément intégrée au système AOI, et les schémas de défauts seront identifiés grâce à l'apprentissage automatique, réduisant le taux d'erreur à moins de 0,5 %. Les systèmes de maintenance prédictive peuvent émettre des avertissements précoces des défaillances de l'équipement, réduisant les temps d'arrêt de 30 %410.

La machine de technologie de montage en surface (SMT) modulaire prend en charge la commutation rapide des tâches de production et, en combinaison avec le système MES, permet une production multi-variétés et en petits lots. Les systèmes AGV et d'entreposage intelligent peuvent réduire le temps de préparation des matériaux de 50 %.

La popularisation de la soudure sans plomb (alliage Sn-Ag-Cu) et des procédés de soudure à basse température a réduit la consommation d'énergie de 20 %. Les agents de nettoyage à base d'eau remplacent les solvants organiques, réduisant les émissions de COV de 90 %310.

La technologie 3D-IC pour les puces 5G et IA entraîne le développement des machines de technologie de montage en surface (SMT) vers des substrats ultra-minces (≤0,2 mm) et un empilage de haute précision (±5 µm), et la technologie de placement assisté par laser sera la clé.

Le processus de Pick and Place favorise continuellement l'avancement de la fabrication électronique vers une haute densité et une grande fiabilité grâce à l'innovation collaborative de la mécanique de précision, des algorithmes intelligents et de la science des matériaux. Des buses d'aspiration à l'échelle nanométrique aux systèmes de détection basés sur l'IA, l'évolution technologique a non seulement amélioré l'efficacité de la production, mais a également fourni un soutien essentiel aux domaines émergents tels que les smartphones, la conduite autonome et les appareils portables. À l'avenir, avec l'approfondissement de la fabrication intelligente et verte, ce processus jouera un rôle plus crucial dans l'innovation de l'industrie électronique.