Processo de selecção e colocação na tecnologia de montagem de superfície (SMT): princípios fundamentais, desafios técnicos e futuro

O processo Pick and Place (Tecnologia de Montagem em Superfície) é o elo central da Tecnologia de Montagem em Superfície (SMT), que monta com precisão componentes microeletrônicos nas posições designadas na placa de circuito impresso (PCB) por meio de equipamentos automatizados de alta precisão. Este processo determina diretamente a confiabilidade, a eficiência da produção e o grau de integração dos produtos eletrônicos. Com o desenvolvimento da comunicação 5G, da Internet das Coisas e da eletrônica automotiva, a tecnologia Pick and Place tem continuamente rompido os limites de precisão e velocidade, tornando-se a pedra angular da fabricação eletrônica moderna. Este artigo analisará de forma abrangente o mecanismo de operação e a direção de desenvolvimento deste processo a partir de aspectos como estrutura do equipamento, princípio de funcionamento, principais desafios técnicos e tendências futuras.

O dispositivo Pick and Place (máquina de montagem em superfície) funciona em colaboração por meio de múltiplos módulos de precisão, e sua estrutura central inclui:

O sistema de alimentação transporta os componentes na fita, tubo ou bandeja para a posição de coleta através do Feeder. O alimentador de fita usa engrenagens para acionar a fita de material para garantir o fornecimento contínuo de componentes. O alimentador vibratório a granel ajusta o ritmo de alimentação pela frequência de vibração (200-400Hz).

A máquina de colocação de tecnologia de montagem em superfície (SMT) é equipada com câmeras de alta resolução e algoritmos de processamento de imagem. Ao identificar pontos Mark e características dos componentes na PCB (como espaçamento entre pinos e marcações de polaridade), ela atinge uma precisão de posicionamento sub-micron (abaixo de ±15μm). Por exemplo, a tecnologia de alinhamento de visão de voo pode completar a identificação de componentes durante o movimento do braço robótico, e a velocidade de montagem pode atingir até 150.48 pontos por hora.

A cabeça de colocação adota um design paralelo de múltiplos bicos de sucção (comumente de 2 a 24 bicos de sucção), e adsorve os componentes através da pressão negativa a vácuo (-70 kpa a -90 kpa). Componentes de diferentes tamanhos precisam ser combinados com bicos de sucção dedicados: componentes 0402 usam bicos de sucção com uma abertura de 0,3 mm, enquanto componentes maiores, como QFP, exigem bicos de sucção maiores para aumentar a força de adsorção em 79.

O sistema de acionamento servo de três eixos X-Y-Z, em combinação com o trilho deslizante linear, atinge um movimento preciso de alta velocidade (≥30.000CPH). Por exemplo, na área de componentes de grandes dimensões, a velocidade de movimento é reduzida para minimizar a influência da inércia, enquanto na área de microcomponentes, um algoritmo de otimização de caminho de alta velocidade é adotado para aumentar a eficiência 910.

O processo Pick and Place precisa ser coordenado de perto com os processos front-end e back-end. As etapas principais incluem:

A pasta de solda é impressa nas almofadas da PCB através da malha de aço a laser (com um erro de abertura de ≤5%). A pressão do rodo (3-5kg/cm²) e a velocidade de impressão (20-50mm/s) afetam diretamente a espessura da pasta de solda (com um erro de ±15%). Após a impressão, o volume e a forma são garantidos para atender ao padrão 410 através da inspeção 3D da pasta de solda (SPI).

Após a cabeça de colocação retirar materiais do Feida, o sistema visual corrige o deslocamento angular dos componentes (compensação de rotação do eixo θ), e a pressão de colocação (0,3-0,5N) precisa ser precisamente controlada para evitar o colapso da pasta de solda. Por exemplo, o chip BGA requer um design adicional de orifício de exaustão para otimizar o efeito de soldagem 410.

O forno de soldagem por refluxo é dividido em quatro estágios: pré-aquecimento, imersão, refluxo e resfriamento. A temperatura de pico (235-245℃ para o processo sem chumbo) precisa ser mantida com precisão por 40-90 segundos. A taxa de resfriamento (4-6℃/s) é usada para evitar que a junta de solda se fragilize. A velocidade do motor de ar quente (1500-2500rpm) garante a uniformidade da temperatura (±5℃) 410.

A Inspeção Óptica Automática (AOI) identifica defeitos como deslocamento e soldagem falsa através de fontes de luz multi-ângulo, com uma taxa de erro de menos de 1%. A inspeção por raios-X (AXI) é usada para a análise de defeitos internos de juntas de solda ocultas, como BGA. O processo de reparo usa pistolas de ar quente e ferros de solda de temperatura constante. Após o reparo, é necessária uma verificação secundária do forno.

Apesar da maturidade da tecnologia, Pick and Place ainda enfrenta os seguintes desafios principais:

O componente 01005 (0,4mm*0,2mm) requer uma precisão de montagem de ±25μm. Malha de aço em nanoescala (espessura ≤50μm) e tecnologia de bico de sucção a vácuo adaptável devem ser adotadas para evitar a projeção ou desvio de material 410.

Para embalagens QFN, a malha de aço deve ser afinada para 0,1 mm e orifícios de exaustão devem ser adicionados. A embalagem empilhada 3D (como SiP) requer que a máquina de montagem em superfície suporte o alinhamento multicamadas, e a precisão da perfuração a laser precisa ser menor que 0,1 mm 410.

O tempo de refluxo de componentes como LEDs precisa ser encurtado em 20% para evitar o amarelamento das lentes. A proteção com nitrogênio (teor de oxigênio ≤1000ppm) na soldagem a ar quente pode reduzir a soldagem falsa causada pela oxidação 47.

A inteligência artificial será profundamente integrada ao sistema AOI, e os padrões de defeitos serão identificados por meio de aprendizado de máquina, reduzindo a taxa de erro para menos de 0,5%. Os sistemas de manutenção preditiva podem emitir alertas precoces de falhas de equipamentos, reduzindo o tempo de inatividade em 30%410.

A máquina de tecnologia de montagem em superfície (SMT) modular suporta a troca rápida de tarefas de produção e, em combinação com o sistema MES, permite a produção de múltiplas variedades e pequenos lotes. AGV e sistemas de armazenamento inteligente podem reduzir o tempo de preparação de materiais em 50%.

A popularização da solda sem chumbo (liga Sn-Ag-Cu) e dos processos de soldagem de baixa temperatura reduziu o consumo de energia em 20%. Agentes de limpeza à base de água substituem solventes orgânicos, reduzindo as emissões de VOCs em 90%310.

A tecnologia 3D-IC para chips 5G e IA impulsiona o desenvolvimento de máquinas de tecnologia de montagem em superfície (SMT) em direção a substratos ultrafinos (≤0,2 mm) e empilhamento de alta precisão (±5μm), e a tecnologia de colocação assistida por laser será a chave.

O processo Pick and Place promove continuamente o avanço da fabricação eletrônica em direção à alta densidade e alta confiabilidade por meio da inovação colaborativa de máquinas de precisão, algoritmos inteligentes e ciência dos materiais. De bicos de sucção em nanoescala a sistemas de detecção impulsionados por IA, a evolução tecnológica não apenas aprimorou a eficiência da produção, mas também forneceu suporte central para áreas emergentes como smartphones, direção autônoma e dispositivos vestíveis. No futuro, com o aprofundamento da fabricação inteligente e verde, este processo desempenhará um papel mais crucial na inovação da indústria eletrônica.