Μηχανές SMD: Η βασική κινητήρια δύναμη για την ακρίβεια και την ευφυΐα της ηλεκτρονικής κατασκευής

Η τεχνολογία Surface Mount Device (SMD) είναι μια βασική διαδικασία στον τομέα της ηλεκτρονικής κατασκευής. Ο βασικός της εξοπλισμός - μηχανές SMD (συμπεριλαμβανομένων μηχανών επιφανειακής τοποθέτησης, φούρνων επαναροής, εξοπλισμού επιθεώρησης κ.λπ.) - συναρμολογεί με ακρίβεια μικρο-εξαρτήματα σε υποστρώματα PCB μέσω διαδικασιών υψηλής ταχύτητας, υψηλής ακρίβειας και αυτοματοποιημένων. Με την εκρηκτική ανάπτυξη σε τομείς όπως η επικοινωνία 5G, οι συσκευές AIoT και τα φορετά ηλεκτρονικά, οι μηχανές SMD έχουν κάνει συνεχώς άλματα στην τοποθέτηση επιπέδου μικρομέτρων, την ολοκλήρωση πολλαπλών διεργασιών και τον έξυπνο έλεγχο. Αυτό το άρθρο διεξάγει μια ανάλυση από τρεις διαστάσεις: βασικές τεχνολογίες, προκλήσεις του κλάδου και μελλοντικές τάσεις.

Η μηχανή τεχνολογίας επιφανειακής τοποθέτησης (SMT) είναι ο βασικός εξοπλισμός της γραμμής παραγωγής SMD και η απόδοσή της καθορίζεται από κοινού από τον έλεγχο κίνησης, την οπτική τοποθέτηση και το σύστημα τροφοδοσίας.

• Έλεγχος κίνησης: Οι γραμμικοί κινητήρες και η τεχνολογία μαγνητικής ανύψωσης αυξάνουν την ταχύτητα τοποθέτησης σε 150.000 CPH (εξαρτήματα ανά ώρα). Για παράδειγμα, η σειρά Siemens SIPLACE TX υιοθετεί μια παράλληλη αρχιτεκτονική ρομποτικού βραχίονα για την επίτευξη εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας τοποθέτησης 0,06 δευτερόλεπτα ανά τεμάχιο.
• Οπτική τοποθέτηση: Οι τεχνολογίες απεικόνισης πολλαπλών φασμάτων που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη (όπως το σύστημα 3D AOI της ASMPT) μπορούν να αναγνωρίσουν την απόκλιση πολικότητας του εξαρτήματος 01005 (0,4mm*0,2mm), με ακρίβεια τοποθέτησης ±15μm.
• Σύστημα τροφοδοσίας: Ο δονητικός δίσκος και ο τροφοδότης ταινίας υποστηρίζουν το εύρος μεγέθους εξαρτημάτων από 0201 έως 55mm*55mm. Η σειρά Panasonic NPM-DX μπορεί ακόμη και να χειριστεί την τοποθέτηση κυρτής επιφάνειας εύκαμπτων οθονών OLED.

• Φούρνος συγκόλλησης επαναροής: Η προστασία αζώτου και η τεχνολογία ακριβούς ελέγχου θερμοκρασίας πολλαπλών ζωνών (±1℃) μπορούν να μειώσουν την οξείδωση των αρμών συγκόλλησης και είναι κατάλληλη για πάστα συγκόλλησης χωρίς μόλυβδο (σημείο τήξης 217-227℃). Η πλακέτα PCB του σταθμού βάσης 5G της Huawei υιοθετεί τεχνολογία συγκόλλησης επαναροής κενού για την εξάλειψη των φυσαλίδων στο κάτω μέρος των τσιπ BGA, με ποσοστό κενού μικρότερο από 5%.
• Επιλεκτική συγκόλληση λέιζερ (SLS): Για μικρογραφημένα πακέτα QFN και CSP, το ίνα λέιζερ που αναπτύχθηκε από την IPG Photonics επιτυγχάνει τοπική συγκόλληση μέσω διαμέτρου σημείου 0,2 mm και η θερμικά επηρεασμένη ζώνη (HAZ) μειώνεται κατά 60% σε σύγκριση με την παραδοσιακή διαδικασία.

• 3D SPI (Ανίχνευση πάστας συγκόλλησης): Η τεχνολογία 3D μέτρησης της Koh Young ανιχνεύει το πάχος της πάστας συγκόλλησης (ακρίβεια ±2μm) και την απόκλιση όγκου μέσω προβολής κροσσών Moire για την αποφυγή γεφύρωσης ή ψευδούς συγκόλλησης.
• AXI (Αυτόματη επιθεώρηση ακτίνων Χ): Οι μικροεστιακές ακτίνες Χ της YXLON (με ανάλυση 1μm) μπορούν να διεισδύσουν σε πολυστρωματικά PCBS και να εντοπίσουν κρυφά ελαττώματα αρμών συγκόλλησης BGA. Η απόδοση επιθεώρησης της πλακέτας ECU του Tesla Model 3 έχει αυξηθεί κατά 40%.

Το εξάρτημα 01005 και το πακέτο CSP με απόσταση 0,3 mm απαιτούν η ακρίβεια ελέγχου πίεσης κενού του ακροφυσίου αναρρόφησης της μηχανής επιφανειακής τοποθέτησης να φτάσει τα ±0,1kPa και ταυτόχρονα, η μετατόπιση εξαρτημάτων που προκαλείται από την ηλεκτροστατική προσρόφηση πρέπει να ξεπεραστεί. Οι λύσεις περιλαμβάνουν:

• Ακροφύσια αναρρόφησης σύνθετου υλικού: Τα ακροφύσια με επίστρωση κεραμικού (όπως το Fuji NXT IIIc) μειώνουν τον συντελεστή τριβής και ενισχύουν τη σταθερότητα της συλλογής μικρο-εξαρτημάτων.
• Δυναμική αντιστάθμιση πίεσης: Το σύστημα Nordson DIMA ρυθμίζει αυτόματα την πίεση τοποθέτησης (0,05-1N) μέσω της ανατροφοδότησης της πίεσης του αέρα σε πραγματικό χρόνο για την αποφυγή θραύσης τσιπ.

Τα τηλέφωνα με αναδιπλούμενη οθόνη και οι εύκαμπτοι αισθητήρες απαιτούν την τοποθέτηση εξαρτημάτων σε υποστρώματα PI (πολυιμίδιο). Τα παραδοσιακά άκαμπτα εξαρτήματα είναι επιρρεπή στην πρόκληση παραμόρφωσης των υποστρωμάτων. Οι καινοτόμες λύσεις περιλαμβάνουν:

• Πλατφόρμα προσρόφησης κενού: Η μηχανή τοποθέτησης JUKI RX-7 υιοθετεί ζωνική προσρόφηση κενού, είναι συμβατή με εύκαμπτα υποστρώματα πάχους 0,1 mm και η ακτίνα κάμψης είναι ≤3mm.
• Τοποθέτηση με λέιζερ: Το υπεριώδες λέιζερ της Coherent χαράζει μικρο-σημάδια (με ακρίβεια 10μm) στην επιφάνεια των εύκαμπτων υποστρωμάτων, βοηθώντας το σύστημα όρασης στη διόρθωση σφαλμάτων θερμικής παραμόρφωσης.

Η Industry 4.0 προωθεί την ανάπτυξη γραμμών παραγωγής προς γρήγορη αλλαγή μοντέλου (SMED) και ο εξοπλισμός πρέπει να υποστηρίζει τη λειτουργία "εναλλαγής με ένα κλικ":

• Μονάδα τροφοδοσίας: Ο τροφοδότης Yamaha YRM20 μπορεί να ολοκληρώσει την εναλλαγή των προδιαγραφών της ταινίας υλικού εντός 5 λεπτών και υποστηρίζει την προσαρμοστική ρύθμιση του εύρους ζώνης από 8mm έως 56mm.
• Προσομοίωση ψηφιακού διδύμου: Το λογισμικό Siemens Process Simulate βελτιστοποιεί τη διαδρομή τοποθέτησης μέσω εικονικής αποσφαλμάτωσης, μειώνοντας τον χρόνο αλλαγής μοντέλου κατά 30%.

• Μοντέλο πρόβλεψης ελαττωμάτων: Η πλατφόρμα NVIDIA Metropolis αναλύει δεδομένα SPI και AOI για την εκπαίδευση ενός νευρωνικού δικτύου για την πρόβλεψη ελαττωμάτων εκτύπωσης πάστας συγκόλλησης (ποσοστό ακρίβειας >95%) και την προσαρμογή των παραμέτρων της διαδικασίας εκ των προτέρων.
• Σύστημα βαθμονόμησης αυτοεκμάθησης: Ο ελεγκτής AI της KUKA μπορεί να βελτιστοποιήσει την καμπύλη επιτάχυνσης τοποθέτησης με βάση ιστορικά δεδομένα, μειώνοντας τον κίνδυνο μετατόπισης εξαρτημάτων.

• Τεχνολογία συγκόλλησης χαμηλής θερμοκρασίας: Η πάστα συγκόλλησης Sn-Bi-Ag (σημείο τήξης 138℃) που αναπτύχθηκε από την Indium Technology είναι κατάλληλη για συγκόλληση επαναροής χαμηλής θερμοκρασίας, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας κατά 40%.
• Σύστημα ανακύκλωσης απορριμμάτων: Το ASM Eco Feed ανακυκλώνει πλαστικά και μέταλλα στην ταινία απορριμμάτων, με ποσοστό επαναχρησιμοποίησης υλικού έως και 90%.

Οι συσκευές CPO (Co-packaged Optics) απαιτούν την ταυτόχρονη τοποθέτηση του οπτικού κινητήρα και του ηλεκτρικού τσιπ. Ο νέος εξοπλισμός πρέπει να ενσωματώσει:

• Μονάδα ευθυγράμμισης νανοκλίμακας: Το σύστημα ευθυγράμμισης λέιζερ Zeiss επιτυγχάνει ευθυγράμμιση επιπέδου υπο-μικρομέτρων οπτικών κυματοδηγών και τσιπ πυριτίου φωτονίων μέσω ενός συμβολόμετρου.
• Συγκόλληση χωρίς επαφή: Η τεχνολογία μεταφοράς προς τα εμπρός με επαγωγή λέιζερ (LIFT) μπορεί να τοποθετήσει με ακρίβεια εξαρτήματα κρυστάλλων φωτονίων, αποφεύγοντας τη μηχανική καταπόνηση.

Ως το κεντρικό νευρικό σύστημα της ηλεκτρονικής κατασκευής, η τεχνολογική εξέλιξη των μηχανών SMD καθορίζει άμεσα το όριο μεταξύ μικρογραφησης και υψηλής απόδοσης των ηλεκτρονικών προϊόντων. Από την τοποθέτηση επιπέδου μικρομέτρων εξαρτημάτων 01005 έως τις έξυπνες γραμμές παραγωγής που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη, από την προσαρμογή εύκαμπτων υποστρωμάτων έως την υβριδική ολοκλήρωση φωτοηλεκτρικών, η καινοτομία του εξοπλισμού ξεπερνά τα φυσικά όρια και τα σημεία συμφόρησης της διαδικασίας. Με τα άλματα που έχουν κάνει οι Κινέζοι κατασκευαστές όπως η Huawei και η Han's Laser στους τομείς του ακριβούς ελέγχου κίνησης και της συγκόλλησης με λέιζερ, η παγκόσμια βιομηχανία SMD θα επιταχύνει την επανάληψή της προς την υψηλή ακρίβεια, την υψηλή ευελιξία και την χαμηλή ανθρακοποίηση, θέτοντας τα θεμέλια κατασκευής για την επόμενη γενιά ηλεκτρονικών συσκευών.