Processo di selezione e collocazione nella tecnologia di montaggio superficiale (SMT): principi fondamentali, sfide tecniche e futuro

Il processo Pick and Place (Surface Mount Technology) è il collegamento principale della tecnologia a montaggio superficiale (SMT), che monta con precisione i componenti microelettronici nelle posizioni designate sul circuito stampato (PCB) tramite apparecchiature automatizzate ad alta precisione. Questo processo determina direttamente l'affidabilità, l'efficienza produttiva e il grado di integrazione dei prodotti elettronici. Con lo sviluppo della comunicazione 5G, dell'Internet of Things e dell'elettronica automobilistica, la tecnologia Pick and Place ha continuamente superato i limiti di accuratezza e velocità, diventando la pietra angolare della moderna produzione elettronica. Questo articolo analizzerà in modo completo il meccanismo operativo e la direzione di sviluppo di questo processo da aspetti quali la struttura dell'apparecchiatura, il principio di funzionamento, le principali sfide tecniche e le tendenze future.

Il dispositivo Pick and Place (macchina a montaggio superficiale) funziona in collaborazione con più moduli di precisione e la sua struttura fondamentale comprende:

Il sistema di alimentazione trasporta i componenti nel nastro, nel tubo o nel vassoio alla posizione di prelievo tramite il Feeder. L'alimentatore a nastro utilizza ingranaggi per azionare il nastro del materiale per garantire la fornitura continua di componenti. L'alimentatore vibrante regola il ritmo di alimentazione tramite la frequenza di vibrazione (200-400Hz).

La macchina di posizionamento della tecnologia a montaggio superficiale (SMT) è dotata di telecamere ad alta risoluzione e algoritmi di elaborazione delle immagini. Identificando i punti Mark e le caratteristiche dei componenti sul PCB (come la spaziatura dei pin e i contrassegni di polarità), raggiunge una precisione di posizionamento sub-micron (inferiore a ±15μm). Ad esempio, la tecnologia di allineamento della visione in volo può completare l'identificazione dei componenti durante il movimento del braccio robotico e la velocità di montaggio può raggiungere fino a 150.48 punti all'ora.

La testa di posizionamento adotta un design parallelo di più ugelli di aspirazione (comunemente da 2 a 24 ugelli di aspirazione) e assorbe i componenti tramite la pressione negativa del vuoto (-70 kpa a -90 kpa). I componenti di diverse dimensioni devono essere abbinati a ugelli di aspirazione dedicati: i componenti 0402 utilizzano ugelli di aspirazione con un'apertura di 0,3 mm, mentre i componenti più grandi come QFP richiedono ugelli di aspirazione più grandi per aumentare la forza di adsorbimento di 79.

Il sistema di azionamento servo a tre assi X-Y-Z, in combinazione con la guida lineare, raggiunge un movimento preciso ad alta velocità (≥30.000CPH). Ad esempio, nell'area dei componenti di grandi dimensioni, la velocità di movimento viene ridotta per ridurre al minimo l'influenza dell'inerzia, mentre nell'area dei micro-componenti, viene adottato un algoritmo di ottimizzazione del percorso ad alta velocità per migliorare l'efficienza 910.

Il processo Pick and Place deve essere strettamente coordinato con i processi front-end e back-end. I passaggi chiave includono:

La pasta saldante viene stampata sui pad del PCB attraverso la rete di acciaio laser (con un errore di apertura ≤5%). La pressione del raschietto (3-5 kg/cm²) e la velocità di stampa (20-50 mm/s) influiscono direttamente sullo spessore della pasta saldante (con un errore di ±15%). Dopo la stampa, il volume e la forma sono garantiti per soddisfare lo standard 410 tramite l'ispezione 3D della pasta saldante (SPI).

Dopo che la testa di posizionamento preleva i materiali dal Feida, il sistema visivo corregge l'offset angolare dei componenti (compensazione della rotazione dell'asse θ) e la pressione di posizionamento (0,3-0,5 N) deve essere controllata con precisione per evitare il collasso della pasta saldante. Ad esempio, il chip BGA richiede un design aggiuntivo del foro di scarico per ottimizzare l'effetto di saldatura 410.

Il forno di saldatura a rifusione è diviso in quattro fasi: preriscaldamento, immersione, rifusione e raffreddamento. La temperatura di picco (235-245℃ per il processo senza piombo) deve essere mantenuta con precisione per 40-90 secondi. La velocità di raffreddamento (4-6℃/s) viene utilizzata per impedire che il giunto di saldatura si rompa. La velocità del motore ad aria calda (1500-2500 giri/min) garantisce l'uniformità della temperatura (±5℃) 410.

L'ispezione ottica automatica (AOI) identifica i difetti come offset e saldatura falsa attraverso sorgenti luminose multi-angolo, con un tasso di errore inferiore all'1%. L'ispezione a raggi X (AXI) viene utilizzata per l'analisi dei difetti interni dei giunti di saldatura nascosti come BGA. Il processo di riparazione utilizza pistole ad aria calda e saldatori a temperatura costante. Dopo la riparazione, è necessaria una verifica secondaria in forno.

Nonostante la maturità della tecnologia, Pick and Place deve ancora affrontare le seguenti sfide fondamentali:

Il componente 01005 (0,4 mm * 0,2 mm) richiede un'accuratezza di montaggio di ±25μm. La rete di acciaio su scala nanometrica (spessore ≤50μm) e la tecnologia degli ugelli di aspirazione a vuoto adattivi dovrebbero essere adottate per prevenire la fuoriuscita o la deviazione del materiale 410.

Per l'imballaggio QFN, la rete di acciaio deve essere assottigliata a 0,1 mm e devono essere aggiunti fori di scarico. L'imballaggio impilato 3D (come SiP) richiede che la macchina a montaggio superficiale supporti l'allineamento multistrato e l'accuratezza della foratura laser deve essere inferiore a 0,1 mm 410.

Il tempo di riflusso di componenti come i LED deve essere ridotto del 20% per evitare l'ingiallimento delle lenti. La protezione con azoto (contenuto di ossigeno ≤1000 ppm) nella saldatura ad aria calda può ridurre la saldatura falsa causata dall'ossidazione 47.

L'intelligenza artificiale sarà profondamente integrata nel sistema AOI e i modelli di difetti saranno identificati tramite l'apprendimento automatico, riducendo il tasso di errore a meno dello 0,5%. I sistemi di manutenzione predittiva possono emettere avvisi precoci di guasti alle apparecchiature, riducendo i tempi di inattività del 30%410.

La macchina a montaggio superficiale (SMT) modulare supporta la rapida commutazione delle attività di produzione e, in combinazione con il sistema MES, consente la produzione multi-varietà e in piccoli lotti. I sistemi AGV e di stoccaggio intelligente possono ridurre i tempi di preparazione dei materiali del 50%.

La diffusione della saldatura senza piombo (lega Sn-Ag-Cu) e dei processi di saldatura a bassa temperatura ha ridotto il consumo di energia del 20%. I detergenti a base d'acqua sostituiscono i solventi organici, riducendo le emissioni di COV del 90%310.

La tecnologia 3D-IC per chip 5G e IA guida lo sviluppo delle macchine a montaggio superficiale (SMT) verso substrati ultrasottili (≤0,2 mm) e impilamento ad alta precisione (±5μm), e la tecnologia di posizionamento assistita da laser sarà la chiave.

Il processo Pick and Place promuove continuamente l'avanzamento della produzione elettronica verso un'elevata densità e un'elevata affidabilità attraverso l'innovazione collaborativa di macchinari di precisione, algoritmi intelligenti e scienza dei materiali. Dagli ugelli di aspirazione su scala nanometrica ai sistemi di rilevamento basati sull'IA, l'evoluzione tecnologica non solo ha migliorato l'efficienza produttiva, ma ha anche fornito un supporto fondamentale per settori emergenti come smartphone, guida autonoma e dispositivi indossabili. In futuro, con l'approfondimento della produzione intelligente ed ecologica, questo processo svolgerà un ruolo più cruciale nell'innovazione dell'industria elettronica.