Proses Pemilihan dan Penempatan di Teknologi Permukaan (SMT): Prinsip Inti, Tantangan Teknis dan Masa Depan

Proses Pick and Place (Teknologi Surface Mount) adalah mata rantai inti dari Teknologi Surface Mount (SMT), yang secara tepat memasang komponen mikroelektronik ke posisi yang ditentukan pada papan sirkuit tercetak (PCB) melalui peralatan otomatis presisi tinggi. Proses ini secara langsung menentukan keandalan, efisiensi produksi, dan tingkat integrasi produk elektronik. Dengan perkembangan komunikasi 5G, Internet of Things, dan elektronik otomotif, teknologi Pick and Place terus menerus menembus batas akurasi dan kecepatan, menjadi landasan manufaktur elektronik modern. Artikel ini akan menganalisis secara komprehensif mekanisme operasi dan arah pengembangan proses ini dari aspek-aspek seperti struktur peralatan, prinsip kerja, tantangan teknis utama, dan tren masa depan.

Perangkat Pick and Place (mesin surface mount) bekerja secara kolaboratif oleh beberapa modul presisi, dan struktur intinya meliputi:

Sistem pengumpanan menyampaikan komponen dalam pita, tabung, atau baki ke posisi pengambilan melalui Feeder. Feeder pita menggunakan roda gigi untuk menggerakkan pita material untuk memastikan pasokan komponen yang berkelanjutan. Feeder bulk bergetar menyesuaikan irama pengumpanan dengan frekuensi getaran (200-400Hz).

Mesin penempatan teknologi surface mount (SMT) dilengkapi dengan kamera resolusi tinggi dan algoritma pemrosesan gambar. Dengan mengidentifikasi titik Mark dan fitur komponen pada PCB (seperti jarak pin dan penanda polaritas), ia mencapai akurasi penentuan posisi sub-mikron (di bawah ±15μm). Misalnya, teknologi perataan penglihatan terbang dapat menyelesaikan identifikasi komponen selama pergerakan lengan robot, dan kecepatan pemasangan dapat mencapai hingga 150.48 titik per jam.

Kepala penempatan mengadopsi desain paralel dari beberapa nosel hisap (umumnya 2 hingga 24 nosel hisap), dan menyerap komponen melalui tekanan negatif vakum (-70 kpa hingga -90 kpa). Komponen dengan ukuran berbeda perlu dicocokkan dengan nosel hisap khusus: komponen 0402 menggunakan nosel hisap dengan lubang 0,3mm, sedangkan komponen yang lebih besar seperti QFP memerlukan nosel hisap yang lebih besar untuk meningkatkan gaya adsorpsi sebesar 79.

Sistem penggerak servo tiga sumbu X-Y-Z, dalam kombinasi dengan rel geser linier, mencapai gerakan presisi berkecepatan tinggi (≥30.000CPH). Misalnya, di area komponen berukuran besar, kecepatan gerakan dikurangi untuk meminimalkan pengaruh inersia, sedangkan di area mikro-komponen, algoritma optimasi jalur berkecepatan tinggi diadopsi untuk meningkatkan efisiensi 910.

Proses Pick and Place perlu dikoordinasikan secara erat dengan proses front-end dan back-end. Langkah-langkah utama meliputi:

Pasta solder dicetak ke bantalan PCB melalui jaring baja laser (dengan kesalahan bukaan ≤5%). Tekanan squeegee (3-5kg/cm²) dan kecepatan pencetakan (20-50mm/s) secara langsung memengaruhi ketebalan pasta solder (dengan kesalahan ±15%). Setelah pencetakan, volume dan bentuk dipastikan memenuhi standar 410 melalui inspeksi pasta solder 3D (SPI).

Setelah kepala penempatan mengambil material dari Feida, sistem visual mengoreksi offset sudut komponen (kompensasi rotasi sumbu θ), dan tekanan penempatan (0,3-0,5N) perlu dikontrol secara tepat untuk menghindari keruntuhan pasta solder. Misalnya, chip BGA memerlukan desain lubang buang tambahan untuk mengoptimalkan efek penyolderan 410.

Tungku penyolderan reflow dibagi menjadi empat tahap: pemanasan awal, perendaman, reflow, dan pendinginan. Suhu puncak (235-245℃ untuk proses bebas timbal) perlu dipertahankan secara tepat selama 40-90 detik. Laju pendinginan (4-6℃/s) digunakan untuk mencegah sambungan solder menjadi rapuh. Kecepatan motor udara panas (1500-2500rpm) memastikan keseragaman suhu (±5℃) 410.

Inspeksi Optik Otomatis (AOI) mengidentifikasi cacat seperti offset dan penyolderan palsu melalui sumber cahaya multi-sudut, dengan tingkat kesalahan kurang dari 1%. Inspeksi sinar-X (AXI) digunakan untuk analisis cacat internal dari sambungan solder tersembunyi seperti BGA. Proses perbaikan menggunakan hot air gun dan solder iron suhu konstan. Setelah perbaikan, verifikasi tungku sekunder diperlukan.

Terlepas dari kematangan teknologi, Pick and Place masih menghadapi tantangan inti berikut:

Komponen 01005 (0,4mm*0,2mm) memerlukan akurasi pemasangan ±25μm. Jaring baja skala nano (ketebalan ≤50μm) dan teknologi nosel hisap vakum adaptif harus diadopsi untuk mencegah material terbang atau penyimpangan 410.

Untuk pengemasan QFN, jaring baja harus ditipiskan menjadi 0,1mm dan lubang buang harus ditambahkan. Pengemasan bertumpuk 3D (seperti SiP) memerlukan mesin surface mount untuk mendukung perataan multi-lapis, dan akurasi pengeboran laser harus kurang dari 0,1mm 410.

Waktu refluks komponen seperti led perlu dipersingkat sebesar 20% untuk mencegah menguningnya lensa. Perlindungan nitrogen (kandungan oksigen ≤1000ppm) dalam pengelasan udara panas dapat mengurangi pengelasan palsu yang disebabkan oleh oksidasi 47.

Kecerdasan buatan akan diintegrasikan secara mendalam ke dalam sistem AOI, dan pola cacat akan diidentifikasi melalui pembelajaran mesin, mengurangi tingkat kesalahan menjadi kurang dari 0,5%. Sistem pemeliharaan prediktif dapat mengeluarkan peringatan dini kegagalan peralatan, mengurangi waktu henti sebesar 30%410.

Mesin teknologi surface mount (SMT) modular mendukung peralihan cepat tugas produksi dan, dalam kombinasi dengan sistem MES, memungkinkan produksi multi-variasi dan batch kecil. AGV dan sistem pergudangan cerdas dapat mengurangi waktu persiapan material sebesar 50%.

Popularisasi solder bebas timbal (paduan Sn-Ag-Cu) dan proses pengelasan suhu rendah telah mengurangi konsumsi energi sebesar 20%. Agen pembersih berbasis air menggantikan pelarut organik, mengurangi emisi VOC sebesar 90%310.

Teknologi 3D-IC untuk chip 5G dan AI mendorong pengembangan mesin teknologi surface mount (SMT) menuju substrat ultra-tipis (≤0,2mm) dan penumpukan presisi tinggi (±5μm), dan teknologi penempatan berbantuan laser akan menjadi kuncinya.

Proses Pick and Place terus mempromosikan kemajuan manufaktur elektronik menuju kepadatan tinggi dan keandalan tinggi melalui inovasi kolaboratif mesin presisi, algoritma cerdas, dan ilmu material. Dari nosel hisap skala nano hingga sistem deteksi yang didukung AI, evolusi teknologi tidak hanya meningkatkan efisiensi produksi tetapi juga memberikan dukungan inti untuk bidang-bidang yang muncul seperti smartphone, penggerak otonom, dan perangkat yang dapat dikenakan. Di masa depan, dengan pendalaman manufaktur cerdas dan hijau, proses ini akan memainkan peran yang lebih penting dalam inovasi industri elektronik.