מהו Surface-Mount PCB?
מעגל מודפס בהרכבה שטחית (Surface-Mount PCB) הוא לוח שבו הרכיבים האלקטרוניים מולחמים ישירות על גבי פדים שבשטח הלוח – בלי קדחים. השיטה נקראת SMT – Surface Mount Technology, והרכיבים נקראים SMD – Surface-Mount Devices.
בהשוואה ל-THT – Through-Hole, SMT מאפשר צפיפות רכיבים גבוהה בהרבה. הרכיבים קטנים וקלים יותר, וניתן להרכיב אותם בשני צדי הלוח.
SMT לעומת THT: מה לבחור?
ההבדל העיקרי הוא באופן חיבור הרכיבים:
- THT – לרכיבים יש רגליים ארוכות שעוברות דרך חורים ומולחמות בצד השני.
- SMT – הרכיבים מונחים על פדים ומולחמים ב-Reflow.
מתי לבחור SMT?
- כשצריך לוחות קטנים עם צפיפות גבוהה.
- כאשר נדרשת הרכבה אוטומטית וייצור סדרתי.
- כשביצועי המערכת ומהירות האות חשובים.
מתי לבחור THT?
- לרכיבים גדולים או כבדים כמו מחברים או שנאים.
- כשנדרשת חוזק מכני גבוה.
ברוב המוצרים המודרניים משתמשים בהרכבה משולבת: לוגיקה ואותות ב-SMT, ורכיבי הספק או מחברים ב-THT.
תהליך תכנון לוח SMT
תכנון טוב מתחיל בתוכנית ברורה:
1) סכימה ו-Footprints
- השתמשו ב-Footprints סטנדרטיים לסביבת SMD.
- בדקו סימון קוטביות, מספור פינים ו-RefDes כדי למנוע טעויות במיקום.
2) מיקום רכיבים (Placement)
- חלקו לאזורים לפי פונקציה: הספק, אות, בקרה.
- הציבו רכיבים רגישים/בתדר גבוה קרוב זה לזה.
- השאירו מרווחים למכונת Pick-and-Place ול-Reflow.
3) ניתוב (Routing)
- העדיפו מסלולים קצרים וישירים להפחתת רעש והתנגדות.
- לאותות מהירים שמרו על אימפדנס ואיזון זוגות דיפרנציאליים.
- עבור BGA תכננו Fan-out בקפידה, ושקלו Via-in-Pad לפי הצורך.
4) פרטי ייצור
- הוסיפו Fiducials ו-Tooling Holes ליישור.
- בצעו פנליזציה (V-cut או Mouse-bite) בלוחות קטנים לשיפור הטיפול בתהליך.
Stencil ללוח ו-Solder Paste
סטנסיל הוא יריעת מתכת דקה שבעזרתה מדפיסים משחת הלחמה על הפדים לפני מיקום הרכיבים. כך כל פד מקבל כמות מדויקת של בדיל.
1) למה סטנסיל חשוב?
הדפסה ידנית נוטה לגרום לעודף או חוסר בבדיל – מה שמוביל לפגמים.
2) עובי ותכנון פתחים
- עוביים טיפוסיים: 0.10–0.15 מ״מ.
- דק יותר לפיצ׳ים עדינים, עבה יותר לפדים גדולים.
- ב-QFN/BGA מפחיתים לעיתים את הפתחים מעט כדי למנוע גשרים.
- לרכיבים קטנים (0402/0201) התכנון עוזר למנוע Tombstoning או הסטה.
3) יסודות משחת הלחמה
- המשחה מורכבת מאבקת מתכת ו-Flux.
- בחרו סגסוגת מתאימה: ללא עופרת (SAC305) או Sn63Pb37 לפי דרישה.
- אחסנו בקירור והשתמשו בתוך חיי המדף.
תהליך הרכבת SMT
התהליך אוטומטי ברובו וכולל:
1) הדפסת משחת הלחמה
הסטנסיל מונח על הלוח, ומרית מתכת מפזרת את המשחה באופן אחיד. אחידות ההדפסה קריטית ללחמים אמינים.
2) Pick-and-Place
מכונות מהירות מציבות רכיבים לפי נתוני ה-CAD. ההזנה נעשית מגלילים, מגשים או צינורות.
3) Reflow
הלוח עובר בתנור עם פרופיל טמפרטורה הכולל Preheat, Soak, Peak Reflow ו-Cooling. הבדיל ניתך ויוצר חיבורים חזקים בין הפדים לרגליים.
4) ניקוי וציפוי מגן
במידת הצורך מנקים שאריות Flux. בסביבות קשות מוסיפים Conformal Coating להגנה מלחות ואבק.
5) בדיקה ובחינה
- SPI – בדיקת נפח המשחה.
- AOI – בדיקה אופטית של מיקום ולחמים.
- X-ray – לבדיקת לחמים נסתרים בחבילות כמו BGA/QFN.
פגמי SMT נפוצים וכיצד למנוע אותם
גם בתהליך אוטומטי יש פגמים. העיקריים:
- Tombstoning – חוסר איזון בכמות המשחה או בחום. מניעה: תכן פדים מאוזן ופרופיל Reflow נכון.
- Bridging – עודף בדיל או מרווח קטן. מניעה: התאמת פתחים בסטנסיל.
- מחסור בבדיל – נפח משחה נמוך. מניעה: הגדלת הפתח או עובי הסטנסיל.
- Solder Balling – התזת Flux בזמן Reflow. מניעה: אופטימיזציית פרופיל הטמפרטורה.
- Voids ב-BGA – גזים כלואים. מניעה: קצב חימום מבוקר ותכנון פתחים נכון.
תכנון נכון של הפדים ושליטה בפרמטרי התהליך משפרים משמעותית את התשואה.
יתרונות חשמליים ואמינות ב-SMT
1) ביצועים חשמליים טובים יותר
חיבורים קצרים יותר פירושם אינדוקטנס וקיבול פרזיטיים נמוכים, ופחות עיוות. זה משפר שלמות אות (SI) ושלמות הספק (PI), במיוחד בתדרי GHz.
2) קומפקטי וקל
SMT מאפשר לוחות קטנים וקלים – אידאלי למכשירים ניידים ו-IoT.
3) אמינות תרמית ומכנית
תכנון פדים נכון ושליטה בכמות הבדיל מבטיחים לחמים חזקים.
ברכיבי הספק השתמשו ב-וויה תרמית ובמשטחי נחושת גדולים לפיזור חום.
עם זאת, מחזורי חום חוזרים עלולים לעייף לחמים – יש לאזן חומרים ו-Layout.
חומרים וגימורים ללוחות SMT
1) חומר בסיס
ל-Reflow ללא עופרת בחרו למינט בעל Tg גבוה ו-CTE נמוך – בדרך כלל FR-4 מעל 170°C.
2) גימורים שטחיים והשפעתם
- ENIG – יכולת הלחמה מצוינת ומשטח שטוח, מתאים לפיצ׳ים עדינים.
- Immersion Silver – חסכוני וטוב לאותות בתדר גבוה.
- OSP – ידידותי לסביבה ומתאים לאחסון קצר.
- HASL – זול אך פחות שטוח; פחות מתאים ל-SMT עדין.
3) שליטה בעיוות (Warpage)
עיוות PCB עלול לגרום ללחמים גרועים. השתמשו ב-Stack-up סימטרי וב-איזון נחושת כדי לצמצם כיפוף בזמן Reflow.
הרכבה משולבת וחבילות מתקדמות
מוצרים רבים משלבים SMT ו-THT על אותו לוח.
1) דוגמאות אופייניות
- SMT למעגלי אות/לוגיקה
- THT לרכיבי הספק או מחברים
2) עבודה עם BGA ו-QFN
- ב-BGA קריטיים Fan-out ו-Via-in-Pad.
- ב-QFN תכננו Thermal Pad מרכזי עם פתחים מתאימים בסטנסיל להפחתת Voids.
3) Reflow דו-צדדי
כאשר יש רכיבים בשני הצדדים, מרכיבים תחילה את הרכיבים הקלים בצד התחתון. את ה-Reflow השני מבצעים בזהירות כדי לא להמיס מחדש לחמים קיימים.
שאלות נפוצות על Surface-Mount PCBs
ש1: מדוע לפעמים מופיעים Voids בלחמי BGA?
גזים כלואים או שחרור לא טוב של המשחה. השתמשו בתכנון סטנסיל מיטבי ובחימום מבוקר.
ש2: איזה גימור שטחי מתאים ביותר ל-SMT?
בדרך כלל ENIG ו-Immersion Silver מספקים משטח שטוח ונוח להלחמה.
ש3: מה היתרון העיקרי של SMT במעגלים מהירים?
חיבורים קצרים מפחיתים פרזיטים ומשפרים את איכות האות.
סיכום
טכנולוגיית SMT היא עמוד התווך של האלקטרוניקה המודרנית. היא מאפשרת לוחות קטנים, מהירים ואמינים יותר, ובייצור סדרתי גם חוסכת בעלויות.
בעזרת תכנון נכון, סטנסיל מותאם ו-שליטה בפרופיל ה-Reflow תשיגו הרכבות איכותיות עם תשואה גבוהה.
ב-FastTurn PCBs אנו מתמחים ב-ייצור SMT מהיר ואמין וגם בהרכבה משולבת. מה-אב-טיפוס ועד ייצור מלא, אנו מבטיחים דיוק, עקביות ו-אספקה בזמן לכל לוח.
