ما هي تقنية التثبيت السطحي؟
تُعدّ تقنية التجميع السطحي (SMT) أسلوبًا شائعًا في صناعة الإلكترونيات، حيث يتم فيه تركيب المكونات الإلكترونية على سطح لوحة الدوائر المطبوعة. صُممت هذه المكونات خصيصًا للتركيب المباشر، مما يُغني عن الحاجة إلى التوصيلات السلكية أو إدخالها عبر الثقوب كما في طرق التجميع التقليدية. تستخدم تقنية التجميع السطحي تقنيات إنتاج آلية، مثل لحام إعادة التدفق ، للحام المكونات مباشرةً على سطح لوحة الدوائر المطبوعة. وقد أصبح هذا النهج الفعال والاقتصادي الخيار الأمثل لتصنيع الإلكترونيات الاستهلاكية بكميات كبيرة.
SMT VS SMD: ما هو الفرق؟
كثيرًا ما يُخلط بين هذين الاختصارين في مجال خدمات تصنيع الإلكترونيات. على الرغم من اختلافهما في حرف واحد فقط، إلا أنهما في الواقع العملي مختلفان. فـ SMT هي العملية، بينما SMD اختصار لأجهزة التثبيت السطحي، وهي أحد مكونات تقنية التثبيت السطحي. تشمل أجهزة التثبيت السطحي أنواعًا مختلفة من العبوات مثل الرقائق، وSOP، وSOJ، وPLCC، وLCCC، وQFP، و BGA ، وCSP، وغيرها.
تُعدّ تقنية SMD جزءًا صغيرًا يُثبّت على لوحة الدوائر الإلكترونية في صناعة الإلكترونيات . صُممت هذه التقنية لتكون أصغر حجمًا من المكونات السابقة استجابةً لطلب السوق على إلكترونيات أصغر وأسرع وأقل تكلفة. لم تكن المكونات السابقة أكبر حجمًا فحسب، بل كانت تتطلب أيضًا عملية تركيب مختلفة وأبطأ. فبينما كانت الإصدارات السابقة من هذه المكونات تحتوي على أسلاك تمر عبر لوحة الدوائر، تُلحم دبابيس SMD بلوحة الدوائر. وهذا يعني استخدامًا أكثر كفاءة لمساحة اللوحة، إذ لا حاجة لعمل ثقوب، ويصبح كلا جانبي اللوحة مساحة متاحة. صُممت تقنية SMD للاستفادة من تقنية التركيب السطحي الفعّالة والدقيقة.
مقارنة بين تقنية التركيب السطحي وتقنية التركيب عبر الفتحة
لطالما كانت تقنية التوصيل عبر الثقوب (THT) عنصرًا أساسيًا في تصنيع الإلكترونيات، وهي معروفة بمتانة وصلاتها وموثوقيتها. في تجميع THT، تُدخل المكونات في ثقوب على لوحة الدائرة المطبوعة، ثم تُلحم أسلاكها على الجانب الآخر. وقد ظلت هذه الطريقة هي المعيار لعقود، خاصةً لمكونات مثل الموصلات والمفاتيح التي تتطلب ثباتًا ميكانيكيًا ومتانة.
مع ذلك، شهدت صناعة الإلكترونيات تحولاً ملحوظاً نحو تقنية التركيب السطحي (SMT) في السنوات الأخيرة. تُمثل تقنية التركيب السطحي منهجية حديثة تُثبّت فيها المكونات مباشرةً على سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، مما يُغني عن الحاجة إلى وجود ثقوب، ويُتيح إنشاء أبعاد أكثر إحكاماً للوحة الدوائر المطبوعة. ورغم أن هذه التقنيات تشترك في هدف واحد، إلا أنها تختلف اختلافاً كبيراً في نهجها:
- لقد ساعدت تقنية التركيب السطحي بشكل كبير في حل مشاكل المساحة الشائعة في التركيب عبر الفتحة.
- لقد زاد عدد الدبابيس بشكل كبير في تقنية التركيب السطحي مقارنة بنظيراتها القديمة.
- في تقنية التركيب السطحي، تُركّب المكونات مباشرةً على سطح اللوحة بدون أسلاك. في الفتحة، تُوصَل أسلاك العنصر بلوحة الأسلاك عبر الفتحة.
- لا يتم استخدام الوسادات الموجودة على السطح في تقنية التركيب السطحي لتوصيل الطبقات على لوحات الأسلاك المطبوعة.
- تتميز مكونات تقنية الثقب العميق بكبر حجمها، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة المكونات في وحدة المساحة. أما كثافة التعبئة التي يمكن تحقيقها بتقنية التركيب السطحي فهي عالية جدًا، مما يسمح بتركيب المكونات على كلا الجانبين عند الحاجة.
- لقد أتاحت تقنية التركيب السطحي إمكانية تنفيذ تطبيقات كانت تبدو مستحيلة باستخدام الفتحة الممتدة.
- تعتبر تقنية التركيب السطحي مناسبة للإنتاج الضخم ويمكنها تقليل تكلفة تجميع الوحدة، وهو أمر مستحيل باستخدام تقنية الفتحة.
- بفضل تقنية التركيب السطحي، أصبح الحصول على سرعة أعلى للدوائر الكهربائية أسهل بفضل حجمها الصغير. تُلبي هذه التقنية أحد أهم متطلبات التسويق، وتُساعد في إنتاج دوائر كهربائية عالية الأداء بحجم صغير جدًا.
تطبيقات تقنية التركيب السطحي على PCB
اليوم، من النادر أن تجد جهازًا إلكترونيًا لا يستخدم تقنية SMT. فقد أتاحت هذه التقنية تصغيرًا مذهلاً وتحسيناتٍ في الأداء في الأجهزة الاستهلاكية مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. ولكن، إلى جانب الهواتف المحمولة، تتوفر مكونات SMT التي تُمكّن من تحقيق قدراتٍ متطورة في جميع الصناعات تقريبًا. يعتمد مصنعو السيارات على مكونات SMT متينة تحت غطاء المحرك لمراقبة الأنظمة وتقديم تقارير أداء فورية. يستخدم مهندسو الفضاء أجهزة SMT خفيفة الوزن لتجهيز أنظمة الطيران مع الحفاظ على موثوقيتها في ظل الظروف القاسية. ويعتمد مصنعو الأجهزة الطبية على SMT لبناء أجهزة محمولة وقابلة للزرع تُنقذ حياة المرضى.
بالإضافة إلى ذلك، لعبت تقنية SMT دورًا محوريًا في ابتكارات إضاءة LED. وقد أتاحت هذه التقنية ابتكار حلول إضاءة فعّالة ومتعددة الاستخدامات، مثل مصفوفات المصابيح القابلة للتخصيص وشرائط الإضاءة المدمجة. ويُمكن لابتكار حلول إضاءة LED المُدعّمة بتقنية SMT أن يُحسّن كفاءة الطاقة بشكل كبير.
في حين تعتمد تقنية التركيب السطحي (SMT) على آلات متطورة للتجميع الآلي الدقيق، فقد أثبتت أنها عملية تصنيع متعددة الاستخدامات. ومع ازدياد قوة الإلكترونيات وصغر حجمها، نتوقع أن تظل تقنية التركيب السطحي لا غنى عنها، مما يدفع عجلة الابتكار في مختلف القطاعات.
مزايا وعيوب SMT
في الصناعة، حلّت إلى حد كبير محلّ تقنية الثقب المباشر، أي إدخال لوحة الدوائر الكهربائية مع مكونات الأسلاك في الثقب.
المزايا
• التصغير
الحجم الهندسي وحجم المكونات الإلكترونية في تقنية التركيب السطحي أصغر بكثير من حجم مكونات التداخل عبر الثقب. عمومًا، يمكن تقليل حجم وحجم بعض المكونات بنسبة 60% إلى 70%، بل ويمكن تقليل حجمها وحجمها بنسبة 90%. في الوقت نفسه، يمكن تقليل وزن المكونات بنسبة 60% إلى 90%.
• سرعة نقل الإشارة العالية
تتميز مكونات تقنية التركيب السطحي المُجمّعة بهيكلها المدمج وكثافتها العالية للأمان. عند لصق ثنائي الفينيل متعدد الكلور على كلا الجانبين، تصل كثافة التجميع إلى 5-5-20 وصلة لحام لكل سنتيمتر مربع. تتميز لوحات PCB المُجمّعة بتقنية SMT بنقل إشارات عالي السرعة بفضل قصر الدائرة والتأخيرات البسيطة. كما تتميز لوحات PCB المُجمّعة بتقنية SMT بمقاومة أكبر للاهتزاز والصدمات، مما يُسهم في تشغيل المعدات الإلكترونية بسرعة فائقة.
• تأثير التردد العالي
لأن العنصر لا يحتوي على أسلاك أو أسلاك قصيرة، تنخفض معلمات توزيع الدائرة، وينخفض تداخل الترددات الراديوية.
• تعتبر تقنية التركيب السطحي مفيدة للإنتاج التلقائي وتحسين العائد وكفاءة الإنتاج
بفضل توحيد شروط لحام مكونات الشريحة وتسلسلها واتساقها، أصبحت تقنية التركيب السطحي أكثر أتمتة. ويُقلل ذلك بشكل كبير من احتمالية تعطل المكونات أثناء اللحام، وتُحسّن من موثوقيتها.
• انخفاض تكلفة المواد
تُعدّ تكلفة تغليف معظم مكونات تقنية التثبيت السطحي (SMT) أقل من تكلفة تغليف مكونات تقنية التثبيت التقليدي (THT) من نفس النوع والوظيفة، وذلك بفضل زيادة كفاءة معدات الإنتاج وانخفاض استهلاك مواد التغليف. ولذلك، فإن سعر بيع مكونات SMT أقل من سعر بيع مكونات THT.
• تبسيط عمليات الإنتاج وخفض تكاليف الإنتاج.
عند تركيبها على لوحة الدوائر المطبوعة ، لا حاجة لثني أو تشكيل أو تقصير أسلاك المكونات، مما يُختصر العملية برمتها ويُحسّن كفاءة الإنتاج. وتكون تكلفة معالجة الدائرة الوظيفية نفسها أقل من تكلفة الاستيفاء عبر الثقوب، مما يُمكن أن يُقلل تكلفة الإنتاج الإجمالية بنسبة تتراوح بين 30% و50%.
عيوب
• المساحات الصغيرة قد تجعل أعمال الإصلاح أكثر صعوبة.
• لا يضمن ذلك أن وصلة اللحام ستتحمل المواد المستخدمة في عملية التغليف. قد تنقطع الوصلات أو لا تنقطع عند إجراء دورات التبريد والتسخين.
• يجب عدم تركيب المكونات التي تولد كميات كبيرة من الحرارة أو تتحمل أحمالًا عالية على السطح لأن اللحام ينصهر عند درجات حرارة عالية.
• يضعف اللحام أيضاً بسبب الإجهاد الميكانيكي. وهذا يعني أنه يجب توصيل المكونات التي ستتفاعل مباشرة مع المستخدم باستخدام الربط المادي المثبت عبر الفتحة.
الخطوات العامة لعملية SMT
تقنية التركيب السطحي هي طريقة تثبيت المكونات الإلكترونية على سطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). يتم لحام مجموعة التركيب السطحي باللوحة باستخدام اللحام بالصهر. تبدأ عملية التركيب السطحي في مرحلة التصميم، حيث يتم اختيار العديد من المكونات المختلفة، ثم تُصمم لوحة الدوائر المطبوعة باستخدام برامج مثل Orcad أو Capstar.
• إعداد المواد وفحصها
قم بإعداد SMC وPCB، وتحقق من العيوب. تحتوي PCBs عادةً على وسادات لحام مسطحة، عادةً ما تكون من القصدير أو الرصاص أو الفضة أو الذهب، بدون ثقوب، تسمى الوسادات.
• إعداد القالب
تُستخدم الشبكة الفولاذية لتثبيتها في طباعة معجون اللحام. تُصنع وفقًا لموضع تصميم الوسادة على لوحة الدوائر المطبوعة.
• طباعة لصق جندى
أول آلة يتم تركيبها أثناء التصنيع هي طابعة معجون اللحام، المصممة لوضع معجون اللحام على نقاط اللحام المناسبة على لوحة الدوائر المطبوعة باستخدام قالب ومكشطة. هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا لوضع معجون اللحام، لكن الطباعة بالرش تزداد شعبية، خاصة في أقسام المقاولات الفرعية حيث لا حاجة إلى قالب، كما أن التعديل أسهل. يُستخدم معجون اللحام، الذي يتكون عادةً من مادة مساعدة على اللحام ومزيج من القصدير، لتوصيل نقاط لحام SMC ولوحات الدوائر المطبوعة. وهي مناسبة للوحات الدوائر المطبوعة والرقائق باستخدام مكشطة بزاوية 45-60 درجة للكشف عن معجون اللحام.
• فحص معجون اللحام
معظم مكابس معجون اللحام مزودة بخيار الكشف التلقائي، ولكن قد تستغرق هذه العملية وقتًا طويلاً حسب حجم لوحة الدوائر المطبوعة، لذا يمكنك عادةً اختيار جهاز منفصل. يستخدم نظام الكشف الداخلي لطابعة معجون اللحام تقنية ثنائية الأبعاد، بينما تستخدم آلة SP المخصصة تقنية ثلاثية الأبعاد لكشف أدق، يشمل حجم معجون اللحام لكل وسادة، وليس فقط مساحة الطباعة.
• موقع المكونات
بعد التأكد من أن لوحة الدوائر المطبوعة تحتوي على العدد الصحيح من تطبيقات اللحام، تنتقل إلى المرحلة التالية من عملية التصنيع، وهي تركيب المكونات. يُزال كل مكون من العبوة باستخدام فوهة تفريغ أو فوهة تثبيت، ويُفحص بواسطة النظام البصري، ثم يُوضع بسرعة عالية في موضع مُبرمج.
• فحص القطعة الأولى (FAI)
من التحديات العديدة التي يواجهها مصنعو لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) عملية التجميع الأولى أو فحص القطعة الأولى (FAI) للتحقق من معلومات العميل، والتي قد تستغرق وقتًا طويلاً. تُعد هذه الخطوة بالغة الأهمية لأن أي أخطاء غير مُكتشفة قد تؤدي إلى إعادة تصنيع كبيرة.
• إنحسر لحام
بعد التحقق من مواضع جميع المكونات، تُنقل مجموعة لوحة الدوائر المطبوعة إلى آلة لحام إعادة التدفق، حيث تُشكَّل جميع وصلات اللحام الكهربائي بين المكون ولوحة الدوائر المطبوعة بتسخينها إلى درجة حرارة كافية. يبدو أن هذا من أسهل أجزاء عملية التجميع، لكن نمط إعادة التدفق الصحيح أساسي لضمان وصلات لحام مناسبة لا تسخن وتتلف الأجزاء أو المجموعة.
• التنظيف والتفتيش
نظّف اللوحة بعد اللحام وتحقق من العيوب. أعد العمل أو أصلح العيوب وخزن المنتجات. تشمل معدات SMT الشائعة عدسة مكبرة، ولوحة رئيسية قديمة (فحص بصري تلقائي)، وجهاز اختبار إبرة الطيران، وجهاز الأشعة السينية، وغيرها من أجهزة الفحص البصري التي يمكن توصيلها بموضع الجهاز لضبط موضع المكونات، وأجهزة SPI التي يمكن توصيلها بالطابعة لضبط محاذاة قوالب PCB.
كلمات أخيرة
كما رأينا، أحدثت تقنية التجميع السطحي ثورة في تصميم وتصنيع الإلكترونيات على مدى العقود القليلة الماضية. وقد أتاح الانتقال من تقنية التثبيت عبر الثقوب إلى تقنية التجميع السطحي ابتكارات لا حصر لها في تصميم أجهزة أصغر حجمًا وأكثر قوة وغنى بالميزات. ورغم أن تعقيدات تقنية التجميع السطحي قد تبدو معقدة للمبتدئين في مجال تطوير الأجهزة الإلكترونية، إلا أن التعاون مع شركة متخصصة في تجميع لوحات الدوائر المطبوعة مثل شركة MOKO Technology يُسهّل العملية. يضم مصنعنا أحدث آلات التجميع السطحي كما هو موضح في الصورة أدناه. وبفضل خبرتنا في تصنيع التجميع السطحي عالي الكثافة وضوابط الجودة الموثوقة، نساعد في تحويل الأفكار من مرحلة النموذج الأولي إلى مرحلة الإنتاج.
