Pintaliitostekniikan opas aloittelijoille
Oletko kiinnostunut elektroniikasta tai muuten vain haluat tietää miten älypuhelimesi tai läppärisi sisällä olevat piirikortit valmistetaan? Tässä artikkelissa käymme vaihe vaiheelta läpi pintaliitostekniikan valmistusprosessin.
- SMT (Surface Mount Technology) = Pintaliitostekniikan valmistusprosessi
- SMD (Surface Mount Device) = Pintaliitoskomponentti
Mitä on pintaliitostekniikka?
Pintaliitostekniikka on menetelmä, jolla komponentit kiinnitetään suoraan piirikortin pinnalla oleviin juotospädeihin. Perinteisessä reikäliitostekniikassa (Through-Hole Technology, THT) piirikortille on porattu komponentin jaloille sopivat reiät. Komponenttien jalat asetetaan reikiin ja reiät juotetaan kiinni tinalla. Pintaliitostekniikassa piirikortilla ei ole reikiä vaan tasaiset juotospädit joiden päälle komponentit asennetaan ja juotetaan kiinni suoraan piirikortin pinnalle.
Komponenttien asennustavasta johtuen, komponenteista ja piirikorteista voidaan tehdä huomattavasti pienempiä kuin reikäliitostekniikalla. Lisäksi komponenttien asentaminen ja juottaminen piirikortille voidaan tehdä valtavan paljon nopeammin tehokkaan automatisoinnin myötä. Edellä mainituista syistä pintaliitostekniikka onkin suurelta osin syrjäyttänyt perinteisen reikäliitostekniikan.
SMT-valmistusprosessi
SMT-valmistusprosessi etenee systemaattisesti ja lineaarisesti vaihe vaiheelta. Käydään seuraavaksi läpi nämä vaiheet. Kannattaa myös katsella artikkelissa olevat videot, koska prosessin näkeminen kertoo enemmän kuin tuhat sanaa.
1. Juotospastan painaminen
Ensimmäisessä vaiheessa tyhjän piirikortin pinnalle levitetään juotospastaa. Juotospasta on seos pieniä juotospartikkeleita ja juoksutetta eli fluksia. Juotospasta tulee myöhemmin muodostamaan sulaessaan juotosliitoksen eli mekaanisen ja sähköisen liitoksen komponentin ja piirikortin välille. Tämän työvaiheen suurin haaste on saada oikea määrä juotospastaa oikeaan paikkaan komponentin juotospädille. Tämä tapahtuu stensiilin avulla silkkipainotekniikalla.
Piirikortin päälle asetetaan ohut pelti jota kutsutaan stensiiliksi. Stensiilissä on piirikortin juotospädejä vastaavat reiät. Stensiilin päälle reiättömälle alueelle asetetaan kerros juotospastaa joka vedetää lastalla stensiilin reikien yli. Juotospasta painautuu stensiilin rei’istä piirikortin juotospädeille.
Stensiilin paksuus määrittelee kuinka paksu kerros juotospastaa pädeille syntyy ja reiän koko määrittelee kuinka suurelle alueelle pastaa levittyy juotospädeille. Normaalisti reikä on 10% pienempi kuin itse juotospädi millä varmistetaan, ettei juotospastaa mene juotospädin reunan yli.
Nykyään markkinoilta löytyy ainakin yhdeltä valmistajalta tulostustekniikalla toimiva juotospastan “painokone”. Näissä juotospasta tulostetaan piirikortin juotospädeille mustesuihkutulostimen toimintaa vastaavalla tavalla. Musteena toimii juotospasta ja erona on se, että tulostamalla kortille syntyvän juotospastan paksuutta voidaan säätää tarpeen mukaan ohuemmaksi tai paksummaksi.
2. Juotospastan tarkistus
Joissakin tapauksissa painamisen jälkeen suoritetaan erillinen juotospastan optinen tarkastus (Solder Paste Inspection, SPI). SPI tarkistaa automaattisesti kameroiden avulla, että juotosalueilla on vaadittu määrä juotospastaa. Erillinen juotospastan tarkistus (SPI) ei aina ole välttämätöntä, jos juotospastan painoprosessi on erittäin luotettava tai jos sille ei ole erityisiä asiakasvaatimuksia.
3. Komponenttien ladonta
Juotospastan päälle asennetaan komponentit. Komponenttien asentamisen hoitavat ladontakoneet jotka voivat asentaa tuhansia komponentteja tunnissa uskomattomalla tarkkuudella. Ladontakone poimii komponentit syöttimistä, mittaa komponenttien ulkomitat ja asettaa komponentit piirikortille oikeaan paikkaan ja oikeaan asentoon. Koska juotospasta on tahmeaa, komponentit pysyvät väliaikaisesti paikallaan juotospastan ansiosta, kunnes juotos on tapahtunut.
4. Juotos
Seuraavaksi piirikortti kulkee kuljettimella juotosuunin läpi. Juotosuuni on useita metrejä pitkä eri lämpötilavyöhykkeisiin jaettu uuni. Piirikortti kulkee hitaasti kuljetinta pitkin uunin läpi. Matka uunin läpi kestää tyypillisesti noin viisi minuuttia ja piirikortin lämpötila nousee kontrolloidusti lämpötilavyöhykkeiden mukaisesti.
- Esilämmitys: Esilämmitys alkaa nopealla lämpötilan nostolla joka tasaantuu noin 120-160 asteeseen. Tämän vaiheen tarkoitus on lämmittää piirikortti ja komponentit hallitusti samaan lämpötilaan ennen varsinaista juotosvaihetta. Esilämmityksen aikana myös pastan seassa oleva fluksi aktivoituu ja puhdistaa juotospinnat.
- Juotos: Lämpötila nostetaan hetkellisesti huippuunsa noin 210-235 astetta, riippuen juotospastan tyypistä. Juotospasta sulaa ja muodostaa juotosliitoksen komponentin ja piirikortin välille.
- Jäähdytys: Levy jäähdytetään hallitusti, jotta juotosliitoksista muodostuu kestävät. Jäähdytyksen tarkoitus on myös jäähdyttää piirikortti seuraavia työvaiheita varten.
Jos piirilevy on kaksipuolinen ja komponentteja on piirikortin kummallakin puolella, toisen puolen kokoonpano alkaa vasta koko tuotantoerän ensimmäisen ladontapuolen valmistuttua. Siinä vaiheessa piirikortit käännetään ylösalaisin ja ne palaavat prosessin alkuun juotospastan painatukseen. Tinan pintajännityksen ansiosta aikaisemmin juotetut komponentit pysyvät kiinni piirikortin alapuolella, vaikka piirikortti kulkee uudelleen juotosuunin läpi ja komponenttien juotokset sulavat uudelleen. Toki tämä pätee vain kevyisiin komponentteihin ja painavia komponentteja joudutaan usein liimaamaan kiinni erityisellä SMT-liimalla.
5. Pesu ja puhdistus
Juotoksen jälkeen piirikortille jää jonkin verran likaa fluksista. Yleensä näitä fluksijäämiä ei tarvitse puhdistaa pois piirikortilta, mutta joissakin tapauksissa puhdistusta vaaditaan. Esimerkiksi herkissä mittalaitteissa, lääkintä-, ilmailu- tai sotilaselektroniikassa voidaan vaatia puhdistusta. Piirikorttien pesu tapahtuu tyypillisesti pesukoneessa erillään SMT-linjasta. Piirikortit pestään sopivilla fluksin liuottamiseen sopivilla pesuaineilla, huuhdellaan ja kuivataan huolellisesti. Normaalisti kaikki komponentit ovat pesun kestäviä, mutta esimerkiksi releiden kanssa täytyy olla tarkkana ja varmistaa pesun kestävyys.
6. Visuaalinen tarkastus
Juottamisen jälkeen korteille suoritetaan visuaalinen tarkistus. Nykyään useimmiten käytetään automaattisia optisia tarkastusjärjestelmiä (Automated Optical Inspection, AOI). Nämä koneet käyttävät useita eri kulmissa olevia kameroita ja eri valaistuksia piirikortin kuvaamiseen. Jokainen komponentti ja juotos tarkistetaan, että juotos on hyväksytty ja komponentti on paikallaan ja oikeassa asennossa. Usein myös komponenttien päällä olevat tekstit luetaan ja varmistetaan, että komponentissa olevat merkinnät ovat oikein. AOI-laitteet toimivat uskomattoman nopeasti tarkastaen isonkin piirikortin kaikki komponentit ja juotokset 30-60 sekunnissa.
7. Toiminnallinen testaus
Piirikortin toiminnallinen testaus varmistaa, että piirikortti todella toimii tarkoitetulla tavalla ja valmistusprosessi on onnistunut. Riippuu tuotteesta kuinka laaja testaus voidaan suorittaa, mutta yksinkertaisimmillaan piirikortille kytketään käyttöjännite ja todetaan piirikortin toiminta. Esimerkiksi LED-valaisimissa valon syttyminen.
8. Suojapinnoitus
Vaativiin ympäristöihin tarkoitetuille piirikorteille voidaan levittää suojapinnoite. Suojapinnoitteita on erilaisia ja oikea suojapinnoite tulee valita käyttöolosuhteiden perusteella. Jotkut suojapinnoitteet suojaavat hyvin kosteudelta, toiset taas kemikaaleilta ja jotkut mekaaniselta tärinältä. Koska suojapinnoitus on kallis työvaihe, ei sitä tehdä kuin tarvittaessa. Suojapinnoitus voidaan tehdä robotilla selektiivisesti, siveltimellä tai spray-suihkulla manuaalisesti ja maskaamalla alueet joihin ei haluta suojapinnoitetta tai dippaamalla koko piirikortti suojalakkaan.
Yhteenveto
Pintaliitostekniikka on modernin elektroniikan valmistuksen kulmakivi, joka mahdollistaa pienempien laitteiden rakentamisen ja tehokkaan massatuotannon. Prosessi voi tuntua monimutkaiselta, mutta sen vaiheet ovat loogisia ja systemaattisia. Jokaisessa prosessin työvaiheessa on paljon muuttujia joissa voi mennä jotain pieleen. Näiden muuttujien oppiminen ja hallitseminen vaatii pitkää harjoittelua ja kokemusta. Perusteiden ymmärtäminen antaa kuitenkin sinulle vankan pohjan syventyä syvemmälle elektroniikan valmistustekniikan maailmaan.
