מחקר על יישום תוויות קוד QR מפוליאימיד בייצור SMT

תַקצִיר

פרמטרי התהליך של טכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT) של מכלולי מעגלים מודפסים (PCB) וקיבוע הרכיבים הם חוליות מרכזיות בניהול מחזור החיים המלא של מוצרים אלקטרוניים, ותוויות קוד QR משמשות כנשא חשוב להשגת פונקציה זו. כדי לטפל בבעיות האיכות של תוויות קוד QR כסופות מט קיימות - כגון עיוות וסלסול - המתרחשות משום שהן אינן עומדות בטמפרטורה הגבוהה של הלחמת הזרמה חוזרת במהלך הרכבת ה-PCB, מחקר זה בוחן את היישום של תוויות פוליאימיד (PI) בתהליך ייצור ה-SMT של מכלולי PCB. תוצאות ניסוייות מראות כי בתנאי הלחמת הזרמה חוזרת עם טמפרטורת שיא של 260 מעלות צלזיוס, תוויות PI שומרות על שיעור שלמות של 100%; לאחר ניקוי בהתזה, שיעור הניתוק של תוויות PI נמוך מ-3.7%, וקודי ה-QR נשארים ברורים וקריאים. המחקר מדגים כי תוויות PI יכולות לתפקד ביציבות כנושאי מידע לאורך כל תהליך ייצור ה-SMT, ולספק תמיכה אמינה לניהול מחזור החיים המלא של מוצרים אלקטרוניים.

מילות מפתח:  רכיבי מעגל מודפס; תווית קוד QR; פוליאימיד; ניהול מחזור חיים מלא; טכנולוגיית הרכבה משטחית

0 מבוא

טכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT) היא תהליך ייצור שבו רכיבים אלקטרוניים מורכבים ישירות על פני השטח של מעגל מודפס (PCB). היא הפכה לתהליך הליבה של ייצור אלקטרוני מודרני, ומובילה מוצרים אלקטרוניים לעבר ביצועים גבוהים, מזעור ואמינות גבוהה. לאורך מחזור החיים המלא של מוצר אלקטרוני - החל מרכש חומרי גלם, ייצור, מכירות והפצה, ועד שירות לאחר המכירה - כל חוליה דורשת רישום מידע מדויק ומעקב אחריהם. טכנולוגיית קוד QR היא גישה נפוצה להשגת מטרה זו. תוויות קוד QR יכולות לאחסן כמות גדולה של מידע, כולל דגם מוצר, מספר אצווה, תאריך ייצור ועוד.

ככל שדרישות ניהול המידע והמעקב אחר הרכבת PCB במהלך ייצור SMT ממשיכות לגדול, הרישום המדויק של פרמטרי תהליך הייצור על מכלולי PCB הפך להיות קריטי. במהלך הרכבת PCB, ציוד קו הייצור סורק את קוד ה-QR על ה-PCB כדי לנעול את פרמטרי תהליך SMT, המאוחסנים במערכת המידע. זה מספק תמיכה חזקה לבקרת איכות, שירות לאחר המכירה וניהול ריקול של מוצרים אלקטרוניים. מאמר זה עורך מחקר מעמיק על יישום תוויות קוד QR מבוססות סרט פוליאימיד (PI) בתהליך ייצור SMT, תוך פירוט על מאפייני החומר שלהן וביצועי היישום המעשיים.

1 סקירה כללית של טכנולוגיית קוד QR

קוד QR הוא גרפיקה המורכבת מצורות גיאומטריות המסודרות לפי כללים מסוימים במישור מוגדר כדי לתעד מידע סמלים. לפי כללי קידוד שונים, ניתן לסווג קודי QR לקודי QR מוערמים וקודי QR מטריציוניים [1] - [3] . קודי QR מוערמים נוצרים על ידי ערימת ברקודים חד-ממדיים מרובים לפי כללים ספציפיים, כאשר דוגמאות נפוצות כוללות PDF417 ו-Code49 מוערמים. קודי QR מטריציוניים משתמשים במטריצה ​​בינארית כדי לייצג מידע תווים על ידי קידוד בלוקי קוד של קואורדינטות ורמות אפור שונות במישור דו-ממדי. קודי QR מטריציוניים נפוצים כוללים קוד QR, קוד DM וקוד MC. קוד ה-QR משיג את יכולת אחסון הנתונים בעלת הקיבולת הגבוהה של קוד PDF417 ואת מאפייני ההדפסה בצפיפות גבוהה של קוד DM, ובמקביל יש לו את יכולת הקריאה המהירה של קוד MC, כפי שמוצג באיור 1. לכן, קודי QR משמשים בדרך כלל למעקב אחר ייצור בתהליך ייצור SMT של מכלולי PCB.

איור 1 קוד QR

כיום, שלוש טכנולוגיות של קוד QR נפוצות במעגלים מודפסים (PCB): הדפסת משי על מצע, חריטת לייזר והעברה תרמית [4] - [6] . הדפסת משי על מצע מדפיסה ישירות תבניות קוד QR על פני המעגל המודפס באמצעות דיו. למרות שהתהליך פשוט, הוא מתאים רק לקודי QR גדולים יותר. קודי QR קטנים סובלים לעתים קרובות מקצוות מטושטשים, וכתוצאה מכך קריאות נתונים נמוכה. חריטת לייזר משתמשת בקרן לייזר כדי לחרוט מיקרו-גומות או ניגודי צבע על פני המעגל המודפס כדי לייצג מידע על קוד QR. היא מציעה דיוק ורזולוציה גבוהים, כאשר גודל קוד ה-QR הקטן ביותר מגיע ל-2 מ"מ × 2 מ"מ. בהשוואה להדפסה, חריטת לייזר היא איטית ויקרה יותר. טכנולוגיית העברה תרמית מעבירה תבניות קוד QR ממדיה של סרט לתוויות סרט באמצעות תהליך הדפסה תרמית לפני חיבורן למשטח המעגל המודפס. היא מציעה דיוק גבוה, עמידות גבוהה, יעילות ייצור גבוהה ויכולת עיבוד חוזר חזקה, עם העלות הכוללת הנמוכה ביותר. לכן, טכנולוגיית העברה תרמית היא כיום שיטת תיוג קוד QR הכלכלית והגמישה ביותר שאומצה באופן נרחב על ידי יצרנים.

2 ניתוח מאפייני חומר תוויות קוד QR

2.1 מאפייני חומר תווית כסף מט

תוויות כסף מט העשויות מפוליאסטר (פוליאתילן טרפתאלט, PET) או פוליוויניל כלוריד (PVC) עדיין נמצאות בשימוש נרחב על ידי יצרני הרכבות PCB בשל יתרון העלות שלהן. עמידותן לטמפרטורה לטווח קצר יכולה להגיע ל-150 מעלות צלזיוס. תהליך ההדבקה של תוויות כסף מט חייב להתבצע לאחר תהליכי הרכבה וניקוי של PCB.

עם זאת, כדי לקשור פרמטרי תהליך SMT לזיהוי PCB, תהליך תיוג קוד QR צריך להתרחש לפני ייצור SMT. תכונות החומר של תוויות כסף מט גורמות להן לא לעמוד בטמפרטורת השיא של תהליך הלחמת reflow. באמצעות תחנת עיבוד חוזר כדי לדמות הלחמת reflow SMT ב-245 מעלות צלזיוס, התוויות הציגו עיוות, בועות ועיקול, כפי שמוצג באיור 2, וכתוצאה מכך קודי QR מטושטשים. בעיות אלו גורמות לאובדן מידע על פרמטרי תהליך SMT ופוגעות קשות ביעילות ובאופי המדעי של ניהול מחזור החיים של מוצרים אלקטרוניים.

איור 2 פגמים בטמפרטורה גבוהה של תוויות כסף מט

2.2 מאפייני חומר תווית PI

פוליאימיד (PI), כחומר פולימרי בעל ביצועים גבוהים, מציג עמידות מצוינת בטמפרטורה גבוהה, תכונות מכניות טובות, יציבות כימית יוצאת דופן ובידוד חשמלי חזק. מחקר על תוויות קוד QR של PI מיצרן מסוים מראה שהן נותרות ללא שינוי לאחר בדיקת עמידות בחום של 5 דקות ב-300 מעלות צלזיוס, דבר המדגים ביצועים יציבים בסביבה בטמפרטורה גבוהה של הלחמת SMT reflow.

במהלך הלחמת Reflow, כאשר הטמפרטורה מגיעה ל-240-260 מעלות צלזיוס, תוויות PI אינן עוברות התכה, עיוות או פירוק כמו חומרי תוויות רגילים. במקום זאת, הן שומרות על צורה פיזית מלאה ושלמות פונקציונלית. מבנה תוויות ה-PI מוצג באיור 3.

איור 3 מבנה תג PI

3 ניסויים בתהליך ייצור של תווית PI SMT

תהליך הייצור של תוויות SMT מורכב ומדויק ביותר, וכולל בעיקר הדפסת משחת הלחמה, מיקום רכיבים, הלחמת הזרמה חוזרת, בדיקה, ניקוי על בסיס מים ועיבוד חוזר. בין אלה, סביבת הטמפרטורה הגבוהה במהלך הלחמת הזרמה חוזרת ועיבוד חוזר, כמו גם כוח הפגיעה במהלך ניקוי על בסיס מים, מציבים אתגרים משמעותיים הן לעמידות בטמפרטורה גבוהה והן לחוזק ההדבקה של תוויות PI.

3.1 בדיקת הלחמה חוזרת

עקומת תהליך הלחמה נטולת עופרת אופיינית מוצגת באיור 4, כאשר טמפרטורת אזור הזרימה החוזרת נעה בין 217 מעלות צלזיוס ל-245 מעלות צלזיוס, עם זמן השהייה של 60-150 שניות. עבור ייצור הרכבות PCB מורכבות, טמפרטורת השיא חייבת להגיע ל-260 מעלות צלזיוס.

איור 4 פרופיל טמפרטורת הלחמה ללא עופרת

כדי לאמת את ביצועי העמידות לטמפרטורה של תוויות קוד ה-QR, תוויות PI חוברו ללוח מעגלים בעובי 2 מ"מ. עקומת טמפרטורת ההלחמה השתמשה בפרופיל הלחמה נטול עופרת, עם טמפרטורת שיא הזרמה חוזרת שנקבעה ל-260 מעלות צלזיוס, משך הלחמה של 150 שניות ו-5 מחזורי הזרמה חוזרת.

לאחר הלחמת reflow, פני השטח של התווית לא הראו קילוף, קמטים, שינוי צבע או פגמים אחרים, ודוגמת קוד ה-QR על התווית נותרה ברורה וקריאה, כפי שמוצג באיור 5.

איור 5 קוד QR לאחר הלחמת reflow

3.2 בדיקת ניקוי אוטומטית

לאחר הלחמת מכלול המעגל המודפס (PCB), נדרש ניקוי אוטומטי על בסיס מים. טמפרטורת הממס מגיעה למקסימום של 50 מעלות צלזיוס, ומשך הניקוי הוא 50 דקות. כדי לוודא האם התוויות העמידות בטמפרטורה שעברו את מבחן הלחמת הזרימה החוזרת (reflow) יעמדו בתהליך הניקוי האוטומטי, נערך ניסוי ניקוי אוטומטי:

סך של 60 תוויות קוד QR שעברו הלחמת reflow ללא עופרת הודבקו על 30 מעגלים מודפסים, שחולקו ל-3 קבוצות לניסויי ניקוי אוטומטיים.

לאחר ניקוי אוטומטי, רק 2 תוויות התנתקו, מה שהביא לשיעור התנתקות של 3.3%, ושיעור מעבר כולל של 96.7%. התוויות הנותרות לא התנתקו; חלקן הראו התרוממות קלה בפינות. תבניות קוד ה-QR על כל התוויות הנותרות נותרו שקופות.

3.3 בדיקת עמידות בטמפרטורה גבוהה של תחנת עיבוד חוזר

לאחר ניקוי על בסיס מים, הכרטיס המעגל המודפס (PCB) הונח בתחנת עיבוד חוזר כדי לאמת את השפעת הטמפרטורה הגבוהה במהלך עיבוד מחדש של הרכיבים על תוויות PI, כפי שמוצג באיור 6.

איור 6 בדיקת עמידות בטמפרטורה גבוהה של תוויות PI במהלך עיבוד חוזר

התווית הוצבה בתוך תא החימום, כאשר הטמפרטורה המקסימלית נקבעה ל-280 מעלות צלזיוס, והוחזקה למשך 120 שניות בכל מחזור. לאחר שני מחזורי חשיפה לטמפרטורה גבוהה, פני התווית לא הראו קילוף, קמטים או שינוי צבע. תבנית קוד ה-QR על התווית נותרה ברורה וקריאה.

4 סיכום

על מנת לפתור את בעיית העמידות של תוויות קוד QR בטמפרטורות גבוהות במהלך תהליך ייצור SMT של מעגלים מודפסים (PCB), מאמר זה ביצע סדרה של בדיקות אימות יישום על תוויות קוד QR של PI. תוצאות ניסוי מראות שתוויות PI יכולות לעמוד בטמפרטורות הגבוהות של הלחמת Reflow ועיבוד חוזר, כמו גם בהשפעת תהליכי ניקוי אוטומטיים על בסיס מים. הן עומדות בדרישות ייצור SMT של הרכבת מעגלים מודפסים, ומאפשרות עקביות בין פרמטרי תהליך SMT לזיהוי PCB. זה מספק פתרון בר-קיימא לניהול מחזור החיים המלא של מוצרים אלקטרוניים.

הפניות

1. [1] צ'ין שוג'ון, וואנג ז'נגקון. מחקר על יישום טכנולוגיית קוד QR על מעגלים מודפסים [J]. מידע על מעגלים מודפסים, 2020, 28(4): 20-22.
2. [2] שיאו קונג. מחקר על מערכת קידוד ופענוח של קוד מערך חורים במעקב אחר איכות PCB [D]. גואנגג'ואו: אוניברסיטת גואנגדונג לטכנולוגיה, 2019.
3. [3] ג'נג ג'ינגביאו. פיתוח מכשיר להדמיה וקריאה של קוד QR מבוסס DataMatrix משובץ בקרני רנטגן [D]. שנזן: אוניברסיטת שנזן, 2023.
4. [4] ליאנג שיהה, ג'ואנג ג'יהאו. השוואה וניתוח של שיטות הדפסת קודי QR נפוצות [J]. טכנולוגיית זיהוי אוטומטי של סין, 2023(4): 73-78.
5. [5] איי יואנקינג. יישום נרחב של סימון לייזר בתעשיית המעגלים המודפסים [C] // דיוני הכנס האקדמי SMT היוקרתי של סין 2021. צ'ונגצ'ינג, סין: ועדת SMT/MPT של מכון האלקטרוניקה של סצ'ואן, 2021: 273-279.
6. [6] לי יאנג, וו יונגג'ין, וואנג וונבאו ואחרים. מחקר על ייצור קודי QR על מעגלים מודפסים גמישים המבוססים על טכנולוגיית איכול [J]. מידע על מעגלים מודפסים, 2025, 33(S1): 1-6.