ההתקדמות המהירה באלקטרוניקה המודרנית הובילה להופעתה ולהתפתחותה של טכנולוגיית ההרכבה השטחית (Surface Mounting Technology – SMT). בעשורים האחרונים בולטות שלוש מגמות מרכזיות ביישומי האלקטרוניקה: עיבוד חכם, אינטגרציית מולטימדיה ורישות.
- עיבוד חכם – המרה של אותות אנלוגיים לדיגיטליים ואפשרות לבקרה ממוחשבת.
- אינטגרציית מולטימדיה – הרחבת התקשורת מעבר לטקסט לשמע ותמונה, מה שהופך את המוצרים האלקטרוניים לאינטואיטיביים ונפוצים יותר.
- רישות – חיבור מערכות שבעבר היו מבודדות באמצעות חילופי נתונים מהירים ובתדירות גבוהה, המאפשרים שיתוף משאבים גלובלי.
התפתחויות אלו יצרו דרישות חדשות לטכנולוגיות הרכבת מעגלים: צפיפות גבוהה יותר, מהירות גדולה יותר וסטנדרטיזציה רחבה יותר.
- צפיפות גבוהה פירושה טיפול בכמות נתונים גדולה יותר באותו נפח.
- מהירות גבוהה דורשת עיבוד אותות והעברת נתונים מהירים יותר.
- סטנדרטיזציה נובעת ממעבר התעשייה ממספר מצומצם של דגמים בייצור המוני לייצור מגוון בסדרות קטנות – דבר הדורש אחידות בתכנון הרכיבים ובשיטות ההרכבה.
התפתחות ה-SMT
ה-SMT צמחה מייצור מעגלים היברידיים ועברה מאז שנות ה-70 שלושה שלבים עיקריים.
1970–1975
המטרה הראשונית הייתה לשלב רכיבי שבב ממוזערים במעגלים היברידיים (Thick-Film). בשלב זה תרמה ה-SMT משמעותית לקידום טכנולוגיות ייצור מעגלים משולבים (IC), ונכחה לראשונה במוצרים צרכניים כגון שעוני קוורץ ומחשבים אלקטרוניים כיס.
1976–1985
תקופה זו התאפיינה במיני-טיאטורה מהירה וברב-תכליתיות. SMT יושמה רבות במצלמות וידאו, רדיו כיס ומצלמות סטילס אלקטרוניות. נכנסו לשימוש קווי הרכבה אוטומטיים להרכבה שטחית, וטכנולוגיות התהליך והחומרים הבשילו – בסיס לייצור בהיקף גדול.
1986–הווה
משנת 1986 ואילך הושם דגש על הפחתת עלויות ועל שיפור יחס ביצועים-מחיר. עם שיפור האמינות התהליכית, התרחב השימוש ב-SMT לתחומי הביטחון, הרכב, המחשוב והאלקטרוניקה התעשייתית. מערכות הצבה ולחיצה אוטומטיות נעשו נפוצות, והעלות הכוללת של הייצור ירדה.
התפתחות משותפת של רכיבים וטכנולוגיה
גורם מרכזי בהתקדמות ה-SMT הוא ההתפתחות המקבילה של רכיבי הרכבה שטחית (SMC/SMD). השניים שלובים זה בזה: יכולות התהליך תלויות בזמינות הרכיבים, ותכנון הרכיבים מתקדם בהתאם להתקדמות בטכנולוגיות ההרכבה.
- בשנות ה-60 פיתחה Philips (אירופה) מיקרו-רכיב בצורת כפתור לשעונים, שהתפתח בהמשך ל-SOIC – בעל הדקים בצורת כנפי-שחף, מרווח הדקים 1.27 מ״מ ועד 28 פינים.
- בשנות ה-70 אימצו יצרנים יפניים חבילת QFP למחשבים קטנים – הדקים בצורת כנפי-שחף בארבעה צדדים, מרווח עדין עד 0.65 מ״מ ומספר פינים שמגיע למאות.
- חברות אמריקאיות הציגו את PLCC עם הדקים בצורת J, העמידים לעיוות וחוסכים שטח התקנה. במקביל הופיעו LCCC – נשאי שבב קרמיים ללא הדקים, עם משטחי הלחמה מולחמים, לאטימה מלאה.
כתוצאה מכך הצטמצם צעד ההרכבה מ-1.27 מ״מ ל-0.65 מ״מ, ובהמשך ל-0.3 מ״מ ואף פחות. בתחילת שנות ה-90 הגיעו ה-Fine-Pitch והציוד הנלווה לדרגת בשלות.
הופיעה חבילה בקנה-מידה שבב (CSP) – שטח חבילה כמעט זהה לשטח השבב, עלות ייצור נמוכה ותאימות לבדיקות IC מקובלות; סביב 1996 נכנסה לייצור מוגבל.
כדי להתמודד עם גידול במספר ה-I/O במעגלים משולבים, הוטמעו BGA (Ball Grid Array) – עיגולי הלחמה הפזורים על כל תחתית החבילה.
ה-SMT המודרנית ממשיכה לשפר את הרכבת BGA ו-CSP, ושואפת ליכולות Ultra-Fine Pitch של פחות מ-0.3 מ״מ.
מזעור הרכיבים מניע בהתמדה את טכנולוגיות ההרכבה, ובחזרה – דרישות הצפיפות והדיוק המוגברות מציבות אתגרים חדשים לתכנון הרכיבים. זהו מעגל של התקדמות הדדית.
התרחבות ל-Advanced Packaging
בשנות ה-90 עלתה חשיבותו של מודול רב-שבבי (MCM) – מעגל היברידי מתקדם המשלב מספר שבבים חשופים על תת-מצע יחיד בתוך מארז אחד. לעומת הרכבות SMT רגילות, ניתן להפחית שטח פי 3–6 ומשקל ביותר מפי 3.
טכנולוגיית MCM מרחיבה את SMT באמצעות שילוב אינטגרציית מוליכים-למחצה, מיקרואלקטרוניקה היברידית (שכבות עבות/דקות) וייצור מעגלים מודפסים מרובי-שכבות. תתי-מצע טיפוסיים כוללים מעל 4 שכבות הולכה ו-מעל 100 נקודות I/O לחיבור שבבים כגון ASIC, Flip-Chip או רכיבי CS מותאמים. יחידות אלו היוו את קדמת הטכנולוגיה באריזות בשנות ה-90, ומשמשות נרחב במחשבי-על ובאלקטרוניקת תעופה וחלל.
כדי לענות על דרישות לצפיפות גבוהה יותר וקישוריות בין-שכבתית, התפתחה SMT לתחום המכונה בינלאומית Microelectronic Packaging Technology (MPT).
ה-MPT מתמקדת ב-MCM ובמבנים תלת-ממדיים מוערמים, ומשתמשת במיקרו-הלחמה וקפסולציה על לוחות מרובי-שכבות וצפיפות גבוהה. בכך מתקבלים תת-מערכות אלקטרוניות קומפקטיות, מהירות ובעלות אמינות גבוהה מאוד. MPT הפכה לענף חיוני במיקרואלקטרוניקה המודרנית ומשחקת תפקיד מרכזי בתעשיית האוויר-חלל, תעופה, רדאר, ניווט, ל״א (לוחמה אלקטרונית) ומערכות חסינות-הפרעות.
מצב נוכחי ומשמעות
לאחר יותר מארבעה עשורים של התפתחות, ה-SMT הגיעה לדרגת בשלות מלאה והתבססה כדור הרביעי של טכנולוגיות החיבור האלקטרוני. כיום היא הגישה השלטת להרכבת מעגלים מודפסים ברחבי העולם.
המגמה ממשיכה לכיוון רכיבים קטנים יותר, צפיפות התקנה גבוהה יותר ומורכבות תהליכית גבוהה יותר. ההתקדמות העכשווית מתמקדת בארבעה תחומים:
- מזעור – אימוץ נרחב של רכיבי 0201 (0.6 × 0.3 מ״מ) וחבילות QFP/BGA/CSP/Flip-Chip בצעד עדין, המצריך יישור והצבה מדויקים במיוחד.
- אמינות – טיפול בחוסר התאמה במקדמי התפשטות תרמית בין חומרים, העלול לגרום לסדקים בלוח או לכשל בהלחמות בסביבות קשות.
- חדשנות ציוד – קווי SMT מודרניים מצוידים ביישור לייזר ברזולוציה גבוהה, מערכות ראייה אופטיות וכלי בקרת איכות חכמים להרכבה מהירה, צפופה ומדויקת יותר.
- הרכבה על מעגלים גמישים (FPC) – התעשייה פתרה את אתגר קיבועם הנוקשה של מצעים גמישים כדי להבטיח מיקום מדויק של הרכיבים בעת ההרכבה.
ה-SMT היא אבן יסוד בייצור האלקטרוניקה המודרני. היא מאפשרת מזעור, משקל נמוך, ביצועים גבוהים ואמינות במוצרי ההווה והעתיד – החל ממכשירי צריכה ועד מערכות ביטחוניות ותעופה-חלל.
