วิธีประกอบแผงวงจร

การประกอบเปลี่ยนบอร์ดเปล่าและม้วนชิ้นส่วนจำนวนมากให้กลายเป็นวงจรที่ทำงานได้ ปัจจุบันชิ้นส่วนส่วนมากเป็นชิ้นส่วนแบบติดผิว (SMT, surface-mount technology) ซึ่งวางอยู่บนแพดบนผิวบอร์ด ชิ้นส่วนบางรายการ ซึ่งมักเป็นขั้วต่อขนาดใหญ่ หม้อแปลง และชิ้นส่วนกำลัง มีขาทะลุรู (THT, through-hole technology) บอร์ดหนึ่งแผ่นมักมีทั้งสองแบบ และกระบวนการมีขั้นตอนสำหรับแต่ละแบบ

ไลน์ผลิต สถานีหนึ่งต่อจากอีกสถานีหนึ่ง

1. เครื่องพิมพ์: ไม้ปาดดันเพสต์ผ่านสเตนซิลลงบนแพด
2. การตรวจสอบเพสต์: กล้องตรวจสอบเพสต์ก่อนวางชิ้นส่วน
3. การวางชิ้นส่วน: หัวดูดวางชิ้นส่วนแต่ละชิ้นลงบนเพสต์
4. เตารีโฟลว์: โซนที่ให้ความร้อนแก่บอร์ด คงอุณหภูมิไว้ หลอมโลหะบัดกรี และทำให้เย็นลง
5. การตรวจสอบด้วยแสง: กล้องตรวจสอบบอร์ดหลังบัดกรี

1. การเตรียมไลน์ผลิต

ก่อนผลิตบอร์ดใด ๆ โรงงานจะ:

• ตรวจสอบว่าชิ้นส่วนทุกชิ้นในรายการวัสดุ (BOM) มีอยู่ครบและตรงกับหมายเลขชิ้นส่วน
• อบชิ้นส่วนที่ไวต่อความชื้นซึ่งสัมผัสอากาศนานเกินไป (ไอซีพลาสติกที่ดูดความชื้นอาจแตกเมื่อถูกความร้อนในรีโฟลว์)
• โหลดม้วนชิ้นส่วนเข้าฟีดเดอร์บนเครื่องวางชิ้นส่วน
• ทำหรือไปรับสเตนซิล และ
• โหลดโปรแกรมเครื่องจากไฟล์วางชิ้นส่วนของคุณครับ

สิ่งที่อาจผิดพลาดได้: ชิ้นส่วนผิดในฟีดเดอร์ นี่คือเหตุผลที่บอร์ดแผ่นแรกได้รับการตรวจสอบอย่างใกล้ชิด (การตรวจสอบชิ้นแรก) ก่อนผลิตทั้งล็อต

2. การพิมพ์เพสต์บัดกรี

เพสต์บัดกรีคือส่วนผสมของลูกโลหะบัดกรีขนาดเล็กและฟลักซ์ มีความหนืดเหมือนยาสีฟัน โลหะบัดกรีไร้ตะกั่วที่ใช้บ่อยที่สุดคือโลหะผสมดีบุก-เงิน-ทองแดงที่เรียกว่า SAC305 สเตนซิล คือแผ่นโลหะบางที่มีรูตรงตำแหน่งแพดของคุณ จะถูกวางบนบอร์ด ไม้ปาดจะดันเพสต์ผ่านรูลงบนแพด

สิ่งที่อาจผิดพลาดได้: เพสต์มากเกินไปทำให้เกิดสะพานเชื่อมระหว่างแพด เพสต์น้อยเกินไปทำให้ข้อต่ออ่อนแอหรือข้อต่อเปิด ความหนาของสเตนซิล ขนาดของช่องเปิด และสเตนซิลแนบกับบอร์ดดีเพียงใด เป็นตัวกำหนดปริมาณเพสต์ ชิ้นส่วนพิทช์ละเอียดต้องใช้สเตนซิลที่บางกว่าชิ้นส่วนขนาดใหญ่ บอร์ดแบบผสมจึงเป็นการประนีประนอม โรงงานบางแห่งใช้เครื่องตรวจสอบเพสต์บัดกรี (SPI) วัดปริมาณเพสต์บนทุกแพดก่อนวางชิ้นส่วน โปรดดู การตรวจสอบและการทดสอบ

3. การวางชิ้นส่วน

เครื่องหยิบและวาง (pick-and-place) หยิบชิ้นส่วนจากฟีดเดอร์ด้วยหัวดูดสุญญากาศ ตรวจสอบด้วยกล้อง และวางลงบนเพสต์ โดยตำแหน่งกำหนดจากไฟล์วางชิ้นส่วนของคุณ และแก้ไขโดยใช้ฟิดูเชียล คือเครื่องหมายวงกลมเล็ก ๆ บนบอร์ดที่กล้องค้นหา

ชิ้นส่วนพาสซีฟขนาดเล็กถูกวางอย่างรวดเร็วมาก ชิ้นส่วนขนาดใหญ่หรือรูปร่างพิเศษ และไอซีพิทช์ละเอียด จะถูกวางช้ากว่าและระมัดระวังกว่า เพสต์มีความเหนียวเพียงพอที่จะยึดชิ้นส่วนไว้จนถึงการบัดกรี

สิ่งที่อาจผิดพลาดได้: ชิ้นส่วนหมุน 90 หรือ 180 องศา เนื่องจากทิศทางของฟุตพรินต์ในไลบรารีต่างจากในไฟล์วางชิ้นส่วนของคุณ ชิ้นส่วนขาดหายเพราะหมด หรือเกิด tombstone (ดูด้านล่าง)

4. การบัดกรีแบบรีโฟลว์

บอร์ดเคลื่อนผ่านเตารีโฟลว์บนสายพาน บอร์ดจะผ่านโซนที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น:

1. Preheat: เพิ่มอุณหภูมิบอร์ดอย่างช้า ๆ เพื่อไม่ให้ชิ้นส่วนแตกจากความร้อนกระแทก
2. Soak: ทำให้อุณหภูมิสม่ำเสมอทั่วบอร์ดและกระตุ้นฟลักซ์
3. Reflow: อุณหภูมิสูงขึ้นเหนือจุดหลอมเหลวของโลหะบัดกรี (ประมาณ 217 ถึง 220 °C สำหรับ SAC305) โดยปกติถึงจุดสูงสุดประมาณ 240 ถึง 250 °C ในช่วงเวลาสั้น ๆ โลหะบัดกรีหลอมเหลว เปียกแพดและขั้วชิ้นส่วน และแรงตึงผิวจะดึงชิ้นส่วนให้เรียงตัวตรง
4. Cooling: โลหะบัดกรีแข็งตัวเป็นข้อต่อ

โปรไฟล์ คืออุณหภูมิเทียบกับเวลา ถูกตั้งค่าสำหรับบอร์ด ชิ้นส่วน และเพสต์ และตรวจสอบด้วยการวัดเทอร์โมคัปเปิลบนบอร์ดทดสอบ

1. Preheat: เพิ่มอุณหภูมิอย่างช้า ๆ
2. Soak: อุณหภูมิสม่ำเสมอและฟลักซ์ทำงาน
3. Reflow: เหนือจุดหลอมเหลวของโลหะบัดกรี (เส้นประ) ในช่วงเวลาสั้น ๆ
4. Peak: อุณหภูมิสูงสุดของโปรไฟล์
5. Cooling: โลหะบัดกรีแข็งตัวเป็นข้อต่อ

สิ่งที่อาจผิดพลาดได้:

• Tombstoning: ชิ้นส่วนสองขั้วขนาดเล็กตั้งขึ้นที่ปลายด้านหนึ่ง เนื่องจากแพดหนึ่งร้อนและเปียกก่อนอีกแพด สาเหตุที่พบบ่อยคือขนาดแพดไม่เท่ากันหรือการเชื่อมทองแดงไปยังแพดไม่สมดุล
• สะพานบัดกรี (Solder bridges): จากเพสต์มากเกินไปหรือแพดอยู่ใกล้กันเกินไป
• โพรงอากาศ (Voids): ก๊าซที่ติดอยู่ในข้อต่อ ซึ่งสำคัญใต้แผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่และ BGA
• Head-in-pillow: ลูกบอล BGA ที่ไม่รวมตัวกับเพสต์ มักเกิดเมื่อบอร์ดหรือชิ้นส่วนโก่งงอระหว่างรีโฟลว์
• ชิ้นส่วนเลื่อนหรือหล่น: ชิ้นส่วนหนักที่ด้านที่สองอาจหล่นระหว่างรีโฟลว์ครั้งที่สอง หากพื้นที่แพดเล็กเกินไปสำหรับน้ำหนัก

1. ข้อต่อที่ดี: ชิ้นส่วนวางราบและโลหะบัดกรีเปียกทั้งสองแพด
2. Tombstoning: แพดหนึ่งร้อนและเปียกก่อน และดึงชิ้นส่วนให้ตั้งขึ้นที่ปลาย
3. สะพานบัดกรี: โลหะบัดกรีเชื่อมสองแพดที่อยู่ติดกัน

5. ด้านที่สอง

หากทั้งสองด้านมีชิ้นส่วน บอร์ดจะผ่านไลน์สองครั้ง ด้านที่มีชิ้นส่วนเล็กและเบากว่ามักทำก่อน

6. ชิ้นส่วนรูทะลุ

ชิ้นส่วนรูทะลุจะถูกใส่ด้วยมือหรือเครื่องจักร จากนั้นบัดกรีด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้:

• การบัดกรีแบบคลื่น (Wave soldering): ด้านล่างของบอร์ดผ่านคลื่นโลหะบัดกรีหลอมเหลว รวดเร็วสำหรับขาจำนวนมาก ชิ้นส่วนติดผิวที่ด้านล่างต้องติดกาวหรือคลุมในพาเลตจึงจะทนได้ ไลน์ของโรงงานใช้กระบวนการคลื่นคู่ไร้ตะกั่ว
• การบัดกรีแบบเลือกจุด (Selective soldering): หัวฉีดขนาดเล็กบัดกรีข้อต่อที่เลือกทีละจุด โดยไม่ให้ความร้อนแก่ส่วนอื่นของบอร์ด ใช้เมื่อบอร์ดมีชิ้นส่วนทั้งสองด้าน หรือชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนอยู่ใกล้รูทะลุ
• การบัดกรีด้วยมือ (Hand soldering): โดยผู้ปฏิบัติงานที่ผ่านการฝึก สำหรับชิ้นส่วนเดี่ยว งานแก้ไขซ้ำ (rework) และปริมาณน้อย

หลังการบัดกรีแบบคลื่นหรือบัดกรีด้วยมือ ขาส่วนเกินจะถูกตัดออก

7. การทำความสะอาด

คราบฟลักซ์ที่เหลือหลังบัดกรีไม่เป็นอันตรายบนบอร์ดส่วนมาก (ฟลักซ์แบบ "no-clean" ออกแบบมาเพื่อการนี้) บอร์ดสำหรับแรงดันสูง อิมพีแดนซ์สูง หรือสำหรับการเคลือบ จะถูกทำความสะอาด เช่น ในอ่างอัลตราโซนิก ด้วยสารเคมีที่เหมาะกับฟลักซ์ โปรดแจ้งขอทำความสะอาดหากผลิตภัณฑ์ของคุณไวต่อคราบครับ

8. การเคลือบป้องกัน (conformal coating)

ฟิล์มโพลิเมอร์ป้องกันบาง ๆ (อะคริลิก ซิลิโคน โพลียูรีเทน หรืออื่น ๆ) สามารถพ่นหรือจุ่มลงบนบอร์ดที่เสร็จแล้ว เพื่อป้องกันความชื้น เกลือ ฝุ่น และสารเคมี ขั้วต่อ จุดทดสอบ และบริเวณอื่นที่ต้องไม่เคลือบ จะถูกปิดหรือหลีกเลี่ยง การเคลือบจะบดบังผิวบอร์ด ทำให้การตรวจสอบและงานแก้ไขซ้ำในภายหลังยากขึ้น โรงงานของเราเคลือบแบบเลือกจุดด้วยเครื่องจักร

9. การโปรแกรมและการทดสอบ

ไมโครคอนโทรลเลอร์และหน่วยความจำจะถูกโหลดเฟิร์มแวร์ ไม่ว่าจะก่อนวางชิ้นส่วน หรือในวงจรหลังบัดกรีผ่านขั้วต่อโปรแกรมหรือแพดทดสอบ การทดสอบการทำงานจะตรวจสอบว่าบอร์ดทำงานได้ โปรดดู การตรวจสอบและการทดสอบ

สิ่งที่ควรออกแบบเผื่อไว้

• ขนาดแพดเท่ากันและการเชื่อมทองแดงสมมาตรสำหรับชิ้นส่วนสองขั้วขนาดเล็ก เพื่อให้ร้อนสม่ำเสมอ
• ฟิดูเชียลบนบอร์ดและบนพาเนล โปรดดู การจัดพาเนลและบอร์ดขนาดเล็ก
• พื้นที่รอบชิ้นส่วนสำหรับหัวดูด สำหรับการตรวจสอบ และสำหรับงานแก้ไขซ้ำ
• เครื่องหมายขั้วและขา 1 ที่ชัดเจน
• การเลือกชิ้นส่วนที่เป็นมิตรกับรีโฟลว์: ไม่ใช่ทุกชิ้นส่วนจะทนเตาได้ และบางชิ้นส่วน (ขั้วต่อบางชนิด ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์บางประเภท แบตเตอรี่) ต้องใส่ภายหลัง

สิ่งนี้ปรากฏอย่างไรเมื่อคุณสั่งซื้อที่นี่

โรงงานของเรามีการพิมพ์เพสต์บัดกรีอัตโนมัติ เตารีโฟลว์ 10 โซน การวางชิ้นส่วนความเร็วสูง การบัดกรีคลื่นคู่ไร้ตะกั่ว สถานีแก้ไขซ้ำด้วยมือ และการเคลือบป้องกันแบบเลือกจุด ตัวเลือกการประกอบใดบ้างที่มีผ่านเว็บไซต์ และขีดจำกัดของแต่ละตัวเลือก อยู่ใน หน้าความสามารถในการผลิต วิศวกรยืนยันทุกคำสั่งซื้อ และอาจสอบถามเกี่ยวกับชิ้นส่วนที่ไม่สามารถผ่านรีโฟลว์ได้ หรือฟุตพรินต์ที่เสี่ยงต่อ tombstoning การตรวจสอบ 25 รายการเมื่ออัปโหลดจะดูไฟล์บอร์ด การตรวจสอบดังกล่าวไม่ได้ตรวจสอบการประกอบของคุณสำหรับข้อผิดพลาดของกระบวนการเหล่านี้ครับ