Czym jest montaż płytki PCB?

Montaż płytki drukowanej to proces montażu oraz lutowania elementów elektronicznych na płytce drukowanej PCB (Printed Circuit Board), w wyniku którego powstaje zespół PCBA (Printed Circuit Board Assembly).
 
To w skrócie, ponieważ montaż PCB mylony jest czasami z produkcją PCB, chociaż to dwa zupełnie odrębne procesy. Produkcja PCB obejmuje bardzo szeroki zakres czynności, w tym projektowanie i prototypowanie, natomiast montaż płytki PCB rozpoczyna się po wyprodukowaniu płytki drukowanej i sprowadza się do odpowiedniego rozmieszczenia komponentów na płytce, ich montażu/lutowania, zabezpieczenia zespołu PCBA, a także przeprowadzenia wielu, wielu kontroli.

Normy branżowe

Przy montażu płytek PCB stosowane są standardy branżowe IPC. Na przykład określający jakość montażu zespołów PCBA standard IPC-A-610, w którym, na kilkuset stronach, szczegółowo omówiono elementy elektroniczne/komponenty, ich łączenie, lutowanie, technologie montażu, wady krytyczne oraz akceptowalne odchyłki pozwalające wyprodukować produkt należący do określonej klasy IPC.

Opis klas IPC można znaleźć w naszym artykule o klasach dokładności IPC A-610 w kontraktowej produkcji elektroniki. 

Technologie montażu PCB

Postęp technologii elektronicznych przyniósł większą liczbę możliwości montażu PCB. Obecnie powszechnie stosowane są trzy technologie montażu:

• SMT, czyli technologia montażu powierzchniowego (Surface Mount Technology)
• THT, czyli technologia Thru-Hole
• oraz połączenie metod SMT i THT.

Proces montażu płytki PCB: technologia SMT

Montaż powierzchniowy SMT to technika, która została opracowana już w latach 60., rozwinęła się w latach 80. i jest obecnie szeroko stosowana przez wielu kontraktowych dostawców usług EMS, jako w pełni zautomatyzowana technologia montażu. 

Systemy montażu SMT pozwalają automatycznie pobrać komponenty elektroniczne, umieścić je na płytce PCB z bardzo wysoką precyzją i powtarzalnością, a następnie je przylutować i przeprowadzić odpowiednie inspekcje. Cały proces musi być dokładnie kontrolowany ze względu na niewielkie rozmiary komponentów, oraz konieczność zapewnienia wysokiej dokładności i odpowiedniej temperatury połączeń lutowanych. 

Etapy montażu powierzchniowego SMT: 

• Nakładanie pasty lutowniczej (solder paste stenciling). Na tym etapie niezbędny jest metalowy szablon/sito stworzone specjalnie pod konkretną płytkę PCB. Szablon/sito umieszczany jest w maszynie, która używa go do precyzyjnego nałożenia pasty lutowniczej na płytkę PCB.
• Nakładanie elementów elektronicznych (pick and place). Na etapie tym wykorzystywany jest zautomatyzowany system nakładania elementów elektronicznych/komponentów na płytkę PBC pracujący z wysoką precyzją, szybkością i powtarzalnością.
• Lutowanie (reflow soldering). Na tym etapie płytka PCB z precyzyjnie rozmieszczonymi elementami elektronicznymi/komponentami przechodzi przez rozgrzany piec, w którym nałożona pasta lutownicza topi się i po schłodzeniu trwale łączy komponenty z płytką tworząc zespół PCBA.     
• Inspekcja i kontrola jakości zespołu PCBA przeprowadzane na różnych etapach procesu montażu powierzchniowego SMT przez: zautomatyzowane systemy inspekcji X-Ray, zautomatyzowane systemy inspekcji optycznej AOI z opcją 3D oraz systemy inspekcji pasty lutowniczej SPI pozwalające skontrolować i udokumentować poprawność procesu montażu i lutowania. 

Proces montażu płytki PCB: technologia THT

W przypadku technologii Thru-Hole, THT, płytki PCB mają wywiercone otwory, przez które przewleka się końcówki elementów elektronicznych i komponentów.

Etapy montażu w technologii Thru-Hole

• W technologii THT komponenty są z reguły nakładane na płytkę PCB manualnie, choć czasami stosowane są też rozwiązania automatyczne (np. radial)
• Następnie płytki PCB z komponentami trafiają do maszyny z falą lutowniczą, gdzie lutowanie odbywa się od dołu płytki łącząc przewleczone końcówki komponentów z płytką PCB. Jednak niektóre elementy w płytkach PCB są lutowane manualnie.

W przypadku technologii Thru-Hole stosowane mogą być także zautomatyzowane systemy lutowania, np. fala selektywna, pozwalające poprawić jakość całego procesu i jego powtarzalność.

SMT vs. THT

Głównymi różnicami pomiędzy technologiami SMT i THT są o wiele wyższa precyzja, powtarzalność i szybkość montażu SMT, a także możliwość montowania bardzo małych elementów o wielkości nawet 01005. Natomiast technologia THT pozwala zamontować na płytce PCB cięższe komponenty. 

Jednak w przypadku montażu THT należy liczyć się z wyższym prawdopodobieństwem wystąpienia błędu ludzkiego, ponieważ elementy z reguły umieszczane są na płytkach PCB manualnie.

Z drugiej strony montaż SMT wymaga poważnych inwestycji wstępnych w zautomatyzowane systemy nakładania komponentów, lutowania i inspekcji. Dlatego technologia SMT jest zdecydowanie lepszym rozwiązaniem w przypadku produkcji masowej ze względu na powtarzalność, prędkość oraz możliwość montażu mniejszych komponentów. Ponadto przy montażu SMT, po wstępnych nakładach na zautomatyzowane systemy produkcji, koszt montażu pojedynczego elementu jest znacznie niższy, niż w technologii THT.

Kontrola końcowa i test funkcjonalny

Po zmontowaniu zespół PCBA przechodzi kontrolę końcową oraz testy funkcjonalne, w których na określone wejścia PCBA podawane są sygnały elektryczne oraz napięcie zasilające, a wybrane punkty testowe oraz złącza kontrolowane są pod kątem poprawności sygnałów wyjściowych. 

Testy te mają na celu sprawdzenie funkcjonalności i charakterystyk elektrycznych PCBA, weryfikację zgodności sygnałów prądowych i napięciowych ze specyfikacjami, kontrolę elektryczną elementów zamontowanych na PCBA oraz potwierdzenie ich prawidłowego współdziałania.

Faza testowania jest bardzo istotna, ponieważ decyduje o powodzeniu lub niepowodzeniu montażu PCBA przez dostawcę usług EMS.

Zabezpieczanie zespołów PCBA: Conformal Coating raz Potting

Po zakończeniu montażu PCBA warto zadbać o zabezpieczenie zespołu przed zanieczyszczeniami, szkodliwymi warunkami otoczenia oraz kradzieżą własności intelektualnej. O metodach zabezpieczania zespołów PCBA piszemy w artykule o powlekaniu i zalewaniu w montażu elektroniki. 

Poprawność i sprawność montażu płytek PCB ma bezpośredni wpływ na jakość i czas produkcji wyrobu końcowego, a więc powodzenie projektu producenta OEM. Dlatego decydując się na konkretne rozwiązanie warto przemyśleć wybór odpowiedniej technologii i zasięgnąć opinii doświadczonych dostawców usług EMS, którzy - z oczywistych względów - na montażu płytek PCB znają się naprawdę dobrze.