Het PCB-assemblageproces uitgelegd, stap voor stap

De belangrijkste punten op een rij

• PCB-assemblage (PCBA) is het proces waarbij elektronische componenten op een blanco printplaat worden gesoldeerd, zodat deze een werkend circuit wordt. Het verschilt van PCB-fabricage, waarbij de printplaat zelf wordt gemaakt.
• De meeste moderne printplaten worden gebouwd met oppervlaktemontage (SMT): soldeerpasta aangebracht via een stencil, geautomatiseerde pick-and-place, en reflowsolderen in één doorlopende lijn.
• Doorsteekcomponenten (THT) en grote connectoren worden na SMT geplaatst, meestal via golf- of selectiefsolderen, omdat hun aansluitdraden door de plaat lopen voor mechanische stevigheid.
• Inspectie loopt door het hele proces: soldeerpasta-inspectie (SPI), automatische optische inspectie (AOI) en röntgeninspectie voor verborgen verbindingen onder BGA's. De visuele acceptatiebenchmark is IPC-A-610, op dit moment Revision J (2024).
• Een voltooide assemblage moet vóór verzending functioneel worden getest onder de werkelijke bedrijfsomstandigheden, en niet alleen worden geïnspecteerd op soldeerkwaliteit.

Als u hardware-engineer of sourcingmanager bent, is het PCB-assemblageproces de opeenvolging die een blanco printplaat en een haspel onderdelen omzet in een geteste, werkende assemblage. Globaal gezien verloopt het in deze volgorde: soldeerpasta aanbrengen, componenten plaatsen, reflowen om de verbindingen te vormen, doorsteekonderdelen toevoegen, inspecteren en testen. Deze gids loopt elke fase door zoals deze op een SMT-lijn plaatsvindt, zodat u weet wat uw fabrikant met uw bestanden doet en waar defecten worden opgespoord.

PCB-assemblage versus PCB-fabricage: het verschil

PCB-assemblage en PCB-fabricage zijn twee afzonderlijke fasen die mensen vaak door elkaar halen. Bij fabricage ontstaat de blanco printplaat: het koper, het laminaat, het soldeermasker en de zijdeprint, zonder enige componenten erop. Assemblage neemt die voltooide plaat en bestukt deze met componenten. Ze worden vaak in verschillende fabrieken uitgevoerd.

Het verschil is belangrijk bij het opvragen van een offerte. Een prijs voor een 'PCB' is alleen de blanco printplaat. Een prijs voor een 'PCBA' omvat de plaat plus componenten, solderen, inspectie en test. Bij turnkey-assemblage verzorgt de fabrikant zowel de fabricage als de componenteninkoop: u levert bestanden aan en zij leveren geteste, voltooide units.

Wanneer mensen vragen hoe een printplaat wordt gemaakt, bedoelen ze doorgaans beide fasen, van begin tot eind. Dit artikel richt zich op assemblage: het deel waarin de componenten worden bevestigd.

Wat u nodig heeft voordat de assemblage begint

Voordat er ook maar soldeer wordt aangebracht, heeft uw fabrikant een compleet datapakket nodig dat precies definieert wat er moet worden gebouwd. Een ontbrekend bestand of een verouderde revisie is de meest voorkomende reden dat een productie stilstaat voordat deze de lijn bereikt.

De standaardoverdracht omvat:

De stuklijst doet het zware werk. Generieke omschrijvingen ('0,1 uF-condensator') zijn onvoldoende; de assembler heeft exacte fabrikantonderdeelnummers nodig, zodat het juiste onderdeel op het juiste pad terechtkomt. Hier zit ook het inkooprisico. Echte, gescreende onderdelen uit geautoriseerde kanalen halen in plaats van grijze handel, is wat vervalste componenten van uw plaat houdt, en het begint met een eenduidige stuklijst.

Het SMT-assemblageproces, stap voor stap

Het SMT-assemblageproces is de geautomatiseerde kern van het moderne PCB-assemblage, waarbij oppervlaktemontagecomponenten in één doorlopende inline-volgorde worden geplaatst en gesoldeerd. Het verloopt in vier hoofdfasen: aanbrengen van soldeerpasta, pick-and-place, reflowsolderen en inspectie. Eén transportbandlijn ketent deze machines aan elkaar, zodat een plaat blanco binnenkomt en bestukt aan één zijde naar buiten gaat.

Stap 1: Aanbrengen van soldeerpasta

Soldeerpasta, een grijze massa van minuscule soldeerbollen opgehangen in flux, wordt als eerste aangebracht. Een roestvrijstalen stencil ligt boven op de plaat, en een rakel veegt pasta over het stencil, waarbij pasta door de lasergesneden openingen op de blootliggende koperpads wordt gedrukt. De dikte van het stencil en de grootte van de openingen bepalen hoeveel pasta op elk pad terechtkomt — daarom is het stencilontwerp net zo belangrijk als de plaat zelf.

Zit de hoeveelheid pasta fout, dan krijgt u problemen stroomafwaarts: te veel veroorzaakt brugvorming tussen pads met fijne pitch, te weinig veroorzaakt zwakke of onderbroken verbindingen. Veel lijnen voeren direct na het printen soldeerpasta-inspectie (SPI) uit om de deposithoogte te meten voordat er ook maar een component wordt geplaatst. Een verstopte opening hier opsporen is goedkoop. Dat na reflow doen, niet.

Stap 2: Pick-and-place

Vervolgens bestukt een pick-and-placemachine de plaat. De machine haalt componenten uit haspels, trays en buizen, leest elk onderdeel af met een visionsysteem en zet het op de natte pasta op de coördinaten uit uw centroïdebestand. Moderne machines plaatsen tienduizenden onderdelen per uur en verwerken behuizingen tot 0201 en kleiner — onderdelen zo groot als een zandkorrel.

De pasta zelf houdt de onderdelen in deze fase op hun plek; de kleverigheid van de flux voorkomt dat een geplaatst component wegglijdt vóór het solderen. Het visionsysteem controleert ook de oriëntatie en verwerpt een onderdeel als de polariteit of pin 1 niet kan worden geverifieerd. Daarom zijn schone footprint- en rotatiegegevens in uw bestanden zo belangrijk.

Stap 3: Reflowsolderen

Daarna gaat de plaat door een reflowoven, een tunnel met verschillende verwarmingszones. De temperatuur stijgt geleidelijk, blijft even in een soak-zone om de flux te activeren, piekt boven het smeltpunt van het soldeer (rond 217-220 °C voor gangbare loodvrije SAC-legeringen) en daalt daarna weer. Terwijl de pasta smelt, trekt de oppervlaktespanning elk component in de juiste uitlijning en vormt de soldeerverbindingen.

Dit thermische profiel wordt afgestemd op de plaat en zijn componenten. Stijgt de temperatuur te snel, dan loopt u het risico op thermische schok of tombstoning, waarbij een klein tweepolig component aan één kant gaat 'staan'. Is de piek te hoog of de verweiltijd te lang, dan beschadigt u gevoelige componenten. Het profiel is het verschil tussen een schone reflow en een paneel met marginale verbindingen; het wordt daarom voor elke assemblage ontwikkeld en geverifieerd, en niet klakkeloos hergebruikt.

Stap 4: Automatische optische inspectie (AOI)

Na reflow scant automatische optische inspectie de plaat met hoogresolutiecamera's en vergelijkt elke verbinding en elk onderdeel met een bekend-goede referentie. AOI signaleert ontbrekende onderdelen, verkeerde onderdelen, scheefgeplaatste onderdelen, tombstones, onvoldoende soldeer en bruggen. Het is snel, herhaalbaar en vangt de visuele defecten die een menselijke inspecteur op een dichtbestukte plaat zou missen.

AOI kan echter niet onder een ball grid array (BGA) of quad-flat no-lead (QFN) kijken, omdat die verbindingen onder de behuizing verborgen zitten. Daar komt röntgeninspectie om de hoek kijken voor platen die deze componenten gebruiken. Voor een volledig overzicht van hoe deze lagen op elkaar aansluiten, zie onze gids over pcb-testmethoden.

Doorsteekcomponenten toevoegen

Doorsteekmontage (THT) wordt gebruikt voor onderdelen waarvan de aansluitdraden door gaten in de plaat steken, en wordt na SMT uitgevoerd omdat er andere soldeermethoden voor nodig zijn. Connectoren, grote elektrolytische condensatoren, transformatoren en alles dat mechanische belasting moet doorstaan, is doorgaans THT, omdat door de plaat verankerde draden veel beter bestand zijn tegen trek en trillingen dan oppervlaktepads.

Doorsteekonderdelen worden met de hand of met een machine ingebracht en vervolgens op één van twee manieren gesoldeerd. Bij golfsolderen wordt de onderzijde van de plaat over een staande golf van gesmolten soldeer geleid, waarbij alle blootliggende verbindingen tegelijk worden gesoldeerd. Selectiefsolderen richt zich met een klein mondstuk op afzonderlijke verbindingen; dat past bij platen met hittegevoelige SMT-onderdelen in de buurt of slechts enkele doorsteekpunten. Platen met gemengde technologie — de meeste platen dus — gaan eerst door SMT en daarna door THT.

Inspectie en testen: waar kwaliteit wordt bepaald

Inspectie en testen zijn waar een plaat het recht verdient om te worden verzonden, en de twee zijn niet hetzelfde. Inspectie vraagt of de verbindingen en onderdelen er correct uitzien. Testen vraagt of het circuit daadwerkelijk werkt. Een plaat kan elke visuele controle doorstaan en toch niet opstarten — daarom hoort de functionele test aan het einde van het proces.

De gelaagde controles verlopen doorgaans in deze volgorde:

1. Soldeerpasta-inspectie (SPI) meet pastadepots voordat onderdelen worden geplaatst.
2. Automatische optische inspectie (AOI) verifieert zichtbare verbindingen en plaatsing na reflow.
3. Röntgeninspectie beeldt verborgen verbindingen onder BGA's en QFN's af.
4. In-circuit test (ICT) gebruikt een bed-of-nails-fixture om afzonderlijke componenten en netten elektrisch te controleren.
5. Functionele test (FCT) zet de plaat onder spanning en belast deze zoals het eindproduct dat zou doen.

De visuele acceptatiecriteria hiervoor zijn verankerd aan een norm, niet aan de beoordeling van één inspecteur. IPC-A-610, de meest gebruikte acceptatienorm voor elektronische assemblages, definieert hoe een goede verbinding, een schone filet en een acceptabel defect eruitzien, over drie productklassen heen. Het vooraf afspreken van de klasse is hoe u en uw fabrikant hetzelfde bedoelen met 'goed'.

Functioneel testen is de stap die het makkelijkst over te slaan is en het duurst om over te slaan. Dat elke plaat wordt opgestart en gecontroleerd op zijn werkelijke bedrijfsgedrag voordat de fabriek verlaat, is het verschil tussen een defect in het gebouw vangen en een defect in de handen van uw klant.

Wat er na de assemblage gebeurt

Zodra een plaat de test heeft doorstaan, bereiden een paar stappen de verzending en het inzetten in het veld voor. Conformal coating kan worden aangebracht om te beschermen tegen vocht, stof of chemicaliën in zware omgevingen. Platen die in panelen zijn gebouwd (meerdere platen op één drager voor efficiënte hantering) worden gedepaneeld tot afzonderlijke units, meestal met een frees- of laserproces om naburige verbindingen niet te belasten.

Reinigen verwijdert fluxresten waar de eindtoepassing dat vereist; no-clean flux blijft vaak zitten als deze aan de reinheidsspecificatie voldoet. Vervolgens worden de units conformiteitsgecontroleerd, verpakt met ESD-bescherming en verzonden. Een heldere registratie van wat er is gebouwd, volgens welke revisie en met welke testresultaten, reist mee met de order voor latere traceerbaarheid.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen SMT- en doorsteekassemblage?

SMT (oppervlaktemontage) soldeert componenten rechtstreeks op pads op het plaatoppervlak met soldeerpasta en reflow. Doorsteektechnologie steekt de aansluitdraden van componenten door geboarde gaten en soldeert ze aan de andere zijde. SMT domineert bij moderne platen vanwege dichtheid en snelheid; doorsteekmontage wordt gebruikt voor connectoren en onderdelen die mechanische stevigheid nodig hebben.

Hoe lang duurt PCB-assemblage?

De doorlooptijd hangt af van de complexiteit van de plaat, de hoeveelheid en of de onderdelen op voorraad zijn. Zodra de componenten beschikbaar zijn en de lijn is ingericht, is de SMT- en soldeerproductie zelf snel, vaak een paar uur per batch. Wat de planning echt bepaalt, is doorgaans de levertijd van componenten en de stappen voor data en offertes vóór de lijn start — niet het solderen zelf.

Wat is reflowsolderen?

Reflowsolderen is de methode waarmee oppervlaktemontagecomponenten worden bevestigd. Nadat soldeerpasta en onderdelen zijn aangebracht, gaat de plaat door een reflowoven met gereguleerde verwarmingszones. De pasta smelt, en door oppervlaktespanning ontstaan soldeerverbindingen die elk component in de juiste uitlijning trekken. Het temperatuurprofiel wordt afgestemd op de specifieke plaat en zijn componenten.

Waarom heeft mijn plaat röntgeninspectie nodig?

Röntgeninspectie is nodig wanneer een plaat componenten met verborgen verbindingen gebruikt, zoals ball grid arrays (BGA's) of quad-flat no-lead (QFN)-behuizingen. Hun soldeerverbindingen zitten onder de behuizing waar camera's niet bij kunnen. Röntgenbeeldvorming maakt poriën, bruggen en onderbrekingen in die verbindingen zichtbaar die automatische optische inspectie fysiek niet kan bereiken.

Wordt elke PCB functioneel getest vóór verzending?

Dat hangt af van de fabrikant en van wat u heeft afgesproken. Visuele inspectie (AOI) controleert de soldeerkwaliteit, maar alleen functioneel testen bevestigt dat de plaat daadwerkelijk werkt zoals bedoeld onder spanning. Niet elke leverancier test standaard elke unit; controleer daarom dat functionele testen in uw offerte is opgenomen in plaats van daarop te vertrouwen. Het is de stap die defecten vangt die inspectie kan missen.

Welke bestanden moet ik aanleveren voor PCB-assemblage?

Minimaal heeft u Gerber- of ODB++-bestanden nodig (de plaatlagen), een stuklijst met exacte fabrikantonderdeelnummers en een pick-and-place-bestand (centroïde) met componentcoördinaten en rotaties. Een assemblagetekening met aantekeningen over oriëntatie en polariteit helpt fouten voorkomen. Een compleet, actueel datapakket is de grootste factor voor een soepele eerste productie.

Werk samen met een partner die test vóór verzending

Het proces begrijpen is de halve strijd; de andere helft is samenwerken met een fabrikant die het proces strak uitvoert en u vertelt wat hij heeft gevonden. Bij Faradine wordt elke plaat gebouwd uit echte, gescreende componenten, gevolgd tijdens de productie en functioneel getest vóór verzending, met één Engelstalige projectmanager als uw enige aanspreekpunt. Als u een productie aan het opzetten bent of offertes aan het vergelijken bent, spreek dan met ons engineeringteam; we lopen samen met u door uw bestanden heen. Voor een breder perspectief op het verplaatsen van productie naar het buitenland, begin met onze complete gids over het uitbesteden van PCB-assemblage aan China.