PCB-Montagetechnik

Überblick über die PCB-Montagetechnologie

Bei der Leiterplattenbestückung werden elektronische Bauteile auf einer Leiterplatte montiert und elektrisch miteinander verbunden, was das Kernstück bei der Herstellung moderner elektronischer Produkte darstellt. Mit der Entwicklung elektronischer Produkte in Richtung Miniaturisierung und hohe Leistung entwickelt sich auch die Technologie der Leiterplattenmontage weiter. Derzeit umfasst die gängige Leiterplattenmontagetechnik hauptsächlich die Durchsteckmontage (THT), die Oberflächenmontage (SMT), die Hybridmontage sowie die manuelle und mechanische Montage und andere Formen.

Bei der Leiterplattenmontage handelt es sich nicht nur um ein einfaches Bauteil, das auf dem Substrat befestigt wird, sondern um einen komplexen Prozess, der Materialwissenschaft, Präzisionsmaschinen, Thermodynamik und Elektronik sowie weitere interdisziplinäre Verfahren umfasst.Die Auswahl der geeigneten Montagetechnologie wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit des Produkts, die Produktionskosten und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt aus.Statistiken zufolge hat der weltweite Markt für die Leiterplattenbestückung im Jahr 2023 ein Volumen von etwa 80 Milliarden US-Dollar erreicht, und es wird erwartet, dass er bis 2028 auf 120 Milliarden US-Dollar ansteigt, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 6,5 %.

Through-Hole-Technologie (THT)

Through-Hole-Montagetechnik (THT) ist eine der frühesten Methoden der Leiterplattenbestückung und spielt in bestimmten Bereichen immer noch eine wichtige Rolle. Das Grundprinzip der THT-Technologie besteht darin, die Stifte der Bauteile in vorgebohrte Durchgangslöcher auf der Leiterplatte einzuführen und sie dann auf der anderen Seite der Leiterplatte einzulöten.

THT-Technologie Merkmale

Die THT-Technologie weist mehrere bemerkenswerte Merkmale auf: Erstens bildet sie eine sehr starke mechanische Verbindung, die großen physikalischen und thermischen Belastungen standhält, wodurch sich THT besonders für Anwendungsszenarien eignet, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, militärische Ausrüstung und industrielle Steuerungssysteme.Zweitens haben THT-Komponenten in der Regel große Stiftabstände, was die manuelle Bedienung und Wartung erleichtert. Nach IPC-Normen haben übliche THT-Komponenten einen Pinabstand von 2,54 mm (0,1 Zoll), während einige Hochleistungskomponenten einen Abstand von 5,08 mm oder mehr haben können.

THT-Prozessablauf

Ein typischer THT-Prozessablauf besteht aus den folgenden Schritten:

1. Einfügen von Komponenten: Manuelles oder automatisches Ausrichten der Bauteilstifte mit den Leiterplattenlöchern und Einsetzen der Bauteile
2. Stiftbiegen: Um ein Herausfallen des Bauteils zu verhindern, werden die Stifte in der Regel leicht nach außen gebogen.
3. Wellenlöten: Die Leiterplatte durchläuft eine Wellenlötmaschine, das geschmolzene Lot berührt alle Stifte von unten, um eine Lötstelle zu bilden.
4. Pin Trimming: Verwenden Sie ein Spezialwerkzeug, um zu lange Stifte abzuschneiden.
5. Reinigung und Inspektion: Flussmittelrückstände werden entfernt und eine visuelle oder automatische optische Prüfung durchgeführt.

Vorteile und Grenzen der THT-Technologie

Die wichtigsten Vorteil der THT-Technologie ist ihre hervorragende mechanische Festigkeit und Zuverlässigkeit. Forschungsdaten zufolge ist die Ausfallrate von THT-Lötstellen in Vibrationsumgebungen etwa 30-40 % niedriger als die von SMT-Lötstellen. Darüber hinaus unterliegt die THT-Technologie weniger Beschränkungen hinsichtlich der Bauteilgröße und eignet sich für Hochleistungs- und Hochspannungskomponenten wie Elektrolytkondensatoren, Transformatoren und Hochleistungswiderstände.

Allerdings hat die THT-Technologie auch offensichtliche EinschränkungenGeringere Produktionseffizienz, moderne High-Speed-THT-Steckmaschine Geschwindigkeit von etwa 20.000-30.000 Komponenten pro Stunde, viel niedriger als die SMT Mounter; PCB muss eine große Anzahl von Durchgangslöchern zu bohren, die Erhöhung der Kosten für die Produktion; kann nicht erreichen High-Density-Montage, die Begrenzung der Entwicklung der Miniaturisierung von elektronischen Produkten.

THT-Anwendungsszenarien

Obwohl sich die SMT-Technologie durchgesetzt hat, nimmt THT in den folgenden Bereichen immer noch eine wichtige Stellung ein:

• Elektronische Ausrüstung für Militär und Luft- und Raumfahrt mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen
• Hochleistungsnetzteile und Leistungselektronik
• Steckvorrichtungen, die häufig eingesteckt und abgezogen werden müssen
• Pädagogisches Experimentieren und Prototyping
• Elektronische Geräte, die in besonderen Umgebungen eingesetzt werden (z. B. bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit)

Oberflächenmontage-Technologie (SMT)

Oberflächenmontage-Technologie (SMT) ist heute die gängige Technologie für die Leiterplattenbestückung, die die Elektronikfertigung revolutioniert. Die SMT-Technologie montiert die Komponenten direkt auf Pads auf der Oberfläche der Leiterplatte und stellt elektrische und mechanische Verbindungen durch den Reflow-Prozess her.

Revolution in der SMT-Technologie

Das Aufkommen der SMT-Technologie hat drei große Revolutionen** in der Elektronikindustrie ausgelöst: erstens die Größenrevolution, SMT-Bauteile können 60-70% kleiner sein als THT-Bauteile, so dass Mobiltelefone, Smartwatches und andere ultraportable Geräte möglich werden; zweitens die Effizienzrevolution, moderne SMT-Produktionslinien können mehr als 100.000 Bauteile pro Stunde bestücken; und schließlich die Kostenrevolution, SMT reduziert den Bohrprozess auf der Leiterplatte und verringert den Materialverbrauch.

SMT-Schlüsselprozessschritte

1. Lötpaste drucken: Schablonen aus rostfreiem Stahl werden verwendet, um Lotpaste präzise auf Leiterplattenpads zu drucken. Lötpaste ist ein Gemisch aus winzigen Lotpartikeln (in der Regel eine Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5-Legierung) und Flussmittel, dessen Viskosität und Metallgehalt streng kontrolliert werden müssen. Studien haben gezeigt, dass sich die Qualität des Lotpastendrucks direkt auf etwa 70 % der SMT-Lötfehler auswirkt.
2. Platzierung der Komponenten: High-Speed-Mounter durch die Vakuumdüse wird SMD-Komponenten genau auf die Lotpaste. Die Positioniergenauigkeit moderner Bestückungsautomaten kann ±25μm erreichen, und die Höchstgeschwindigkeit übersteigt 150.000 Bauteile pro Stunde. 0201-Bauteile (0,6 mm × 0,3 mm) oder noch kleinere Bauteile haben sich durchgesetzt.
3. Reflow-LötenLeiterplatten durchlaufen den Reflow-Ofen durch vier Temperaturzonen: Vorheizen, Benetzung, Reflow und Kühlung.Typische bleifreies Lot Spitzentemperatur von etwa 240-250 ℃, Zeitsteuerung in 60-90 Sekunden.Eine präzise Steuerung des Temperaturprofils ist wichtig, um Defekte wie den "Tombstone-Effekt" und "Lotkugeln" zu vermeiden.

Vorteile der SMT-Technologie

Der Kern Vorteile der SMT-Technologie spiegeln sich in:

• Integration mit hoher Dichte: Es können BGA- und CSP-Gehäuse mit einem Raster von 0,4 mm und darunter realisiert werden.
• **Hervorragende Hochfrequenzeigenschaften **:SMD-Bauteile mit kleinen parasitären Parametern, geeignet für Hochfrequenzschaltungen
• Hoher Grad an AutomatisierungVollautomatische Produktion vom Druck bis zur Prüfung möglich
• Beidseitige Montagemöglichkeit: volle Ausnutzung der Leiterplattenfläche, Erhöhung der Bestückungsdichte

Herausforderungen für SMT

Trotz der offensichtlichen Vorteile hat die SMT-Technologie mit einigen Herausforderungen:

• Mit der Miniaturisierung steigt auch die Schwierigkeit der Erkennung. Die Erkennung eines 01005-Bauteils (0,4 mm x 0,2 mm) erfordert 3D-SPI-Ausrüstung
• Höhere Temperaturen beim bleifreien Löten stellen höhere Anforderungen an Bauteile und Leiterplattenmaterialien
• Zuverlässigkeitsprobleme beim Löten mit ultrafeinem Pitch, wie z. B. gerissene Lötstellen, falsche Lötungen usw.
• Nacharbeit ist schwierig, insbesondere bei BGA-Bauteilen mit Bodenfüllung.

SMT-Technologie-Trends

Die SMT-Technologie entwickelt sich ständig weiter, und zu den wichtigsten Entwicklungsrichtungen gehören:

• Ultrafeine Pitch-Technologie: für CSP- und POP-Gehäuse mit einem Raster von 0,3 mm oder weniger.
• 3D-SMT-TechnikDreidimensionale Integration durch Stapeln
• Niedertemperatur-SMT-Verfahren: Anpassung an flexible Substrate und wärmeempfindliche Komponenten
• Intelligente SMT-LinieKI: Kombination von KI- und IoT-Technologien für vorausschauende Wartung und Qualitätskontrolle

Vollständig analysierte Hybrid-Montagetechnik

Hybride Montagetechnik ist eine organische Kombination aus THT- und SMT-Technologie, die in modernen komplexen elektronischen Produkten weit verbreitet ist. Statistiken zufolge verwenden etwa 35 % der industriellen Steuerplatinen und 20 % der elektronischen Platinen im Automobilbereich die Hybridmontagetechnik.

Die Notwendigkeit der Hybridmontage

Die wesentlicher Grund Der Grund für die Entstehung der Hybridmontagetechnik liegt in der Diversifizierung der Funktionen elektronischer Produkte. Ein typisches industrielles Steuergerät beispielsweise erfordert sowohl die SMT-Technologie, um digitale Schaltungen mit hoher Dichte zu realisieren, als auch die THT-Technologie, um Hochleistungsrelais und robuste Steckverbinder zu installieren. Gemischte Anwendungsfälle in medizinischen Geräten zeigen, dass der SMT-Teil 70-80% der Leiterplattenfläche einnimmt, der THT-Teil aber kritische Signalschnittstellen- und Stromversorgungsfunktionen übernimmt.

Prozessablauf bei gemischter Montage

Die Prozessablauf für die Mischmontage ist entscheidend für die Qualität des Endprodukts, und es gibt zwei übliche Wege:

• SMT Vorrangige Route:

• Komplette SMT-Bedruckung, Bestückung und Reflow
• Flip PCB für THT-Bauteilbestückung
• Wellenlöten THT-Oberfläche (Schutz der gelöteten SMT-Bauteile erforderlich)
• Manuelles Löten von SMT-Bauteilen, die dem Wellenlöten nicht standhalten

• THT Vorrangige Route:

• Setzen Sie zuerst die THT-Bauteile ein, aber löten Sie sie noch nicht
• SMT-Bedruckung, -Bestückung und -Reflow durchführen.
• Selektives Wellenlöten oder Handlöten am Ende.

Studien haben gezeigt, dass die kombinierte Ausbeute bei der SMT-First-Route etwa 5-8 % höher ist als bei der THT-First-Route, aber ein komplexeres Prozessdesign und einen komplexeren Vorrichtungsschutz erfordert.

Wesentliche Merkmale der Hybridmontage

Ein erfolgreicher Entwurf einer Hybridhalterung erfordert die Berücksichtigung mehrerer Faktoren Schlüsselfaktoren:

• Strategie für das Komponentenlayout: THT-Bauteile sollten zentral angeordnet sein, um nachfolgende Lötprozesse zu erleichtern
• Entwurf des Wärmemanagements: Beim THT-Löten müssen die benachbarten SMT-Bauteile vor thermischen Schäden geschützt werden.
• Kompatibilität der Prozesse: Wählen Sie THT-Bauteile, die den sekundären Reflow-Temperaturen standhalten können
• Saldo der Kosten: Evaluieren Sie, welche THT-Komponenten durch SMT-Versionen ersetzt werden können, um die Kosten zu senken.

Typische Anwendungen für Hybridanlagen

Die Hybrid-Montagetechnik zeichnet sich in folgenden Bereichen aus:

• Kfz-ElektronikMotorsteuergeräte (ECUs), die SMT-Mikrocontroller und THT-Leistungsgeräte kombinieren
• Industrielle Ausrüstung: SMT-Logikschaltungen und THT-Relais/Steckverbinder in PLC-Modulen
• Medizinische Elektronik: SMT-Signalverarbeitungsschaltungen mit THT-Hochspannungsisolationskomponenten
• Luft- und RaumfahrtDigitale SMT-Systeme mit gehärteten THT-Schnittstellenkomponenten

Manuelle vs. mechanische Montage Vergleichende Analyse

Zusätzlich zu den gängigen THT- und SMT-Technologien, Manuelle Montage und Mechanische Befestigung sind ebenfalls wichtige ergänzende Mittel der Leiterplattenbestückung, die jeweils für unterschiedliche Produktionsszenarien geeignet sind.

Manuelle Montagetechnik

Die manuelle Montage ist die primitivste Methode der Leiterplattenbestückung und spielt in bestimmten Fällen immer noch eine Rolle. Die Handlöttechnik kann in zwei Kategorien unterteilt werden: grundlegendes manuelles Löten und Präzisionshandlöten.

Grundlegendes Handlöten verwendet einen gewöhnlichen Lötkolben und ist geeignet für:

• Prototyping und F&E-Phasen
• Kleinserienproduktion (in der Regel <100 Stück/Monat)
• Montage von großformatigen Bauteilen
• Reparaturen und Änderungen vor Ort

Präzises Handlöten erfordert ein Mikroskop und eine mikrofeine Lötkolbenspitze für:

• Nacharbeit von Bauteilen der Größe 0402 und darunter
• Reballing von BGA- und QFN-Gehäusen
• Hochzuverlässiges Löten von Produkten in Luft- und Raumfahrtqualität
• Spezialisierte Handhabung von Formteilen

Die wichtigste Vorteile der manuellen Montage sind Flexibilität und niedrige Kosten, aber ihre Einschränkungen sind ebenfalls offensichtlich: schlechte Konsistenz (Studien haben gezeigt, dass die Fehlerquote bei manuellen Lötstellen 3 bis 5 Mal höher ist als beim automatisierten Löten), Ineffizienz (Facharbeiter erledigen etwa 200 bis 300 Lötstellen pro Stunde) und Abhängigkeit von den Fähigkeiten des Bedieners.

Mechanische Befestigungstechnik

Die mechanische Montage stellt die hoch automatisiert Richtung der PCB-Bestückung, hauptsächlich einschließlich:

• Automatischer Einleger (AI): Einsetzen von THT-Komponenten bei hohen Geschwindigkeiten von bis zu 45.000 Komponenten pro Stunde
• Selektives WellenlötenPräzise Kontrolle des Lötbereichs zur Minimierung von Temperaturschocks
• Automatische optische Inspektion (AOI): realisiert eine 100%ige Qualitätsprüfung der Lötstellen
• Roboter-Montagezelle: flexible Handhabung von Formteilen

Die zentraler Wert der mechanischen Montage liegt in:

• Ultrahohe Effizienz: eine vollautomatische SMT-Linie kann Tausende von komplexen Leiterplatten pro Tag herstellen
• Ausgezeichnete Konsistenz: CPK-Werte bis zu 1,67 oder mehr
• Rückverfolgbarkeit:Vollständige Datenaufzeichnung für einfache Qualitätsanalyse
• Langfristiger Kostenvorteil:Obwohl die Anfangsinvestition hoch ist, sind die Kosten pro Stück bei hohen Stückzahlen deutlich niedriger.

Wie man die richtige Leiterplattenbestückungstechnik wählt

Die folgenden Schlüsselfaktoren sollten bei der Wahl zwischen manuellem oder mechanischem Einbau berücksichtigt werden:

Schlussfolgerung

Die Technologie der Leiterplattenbestückung als Kernstück der Elektronikfertigung hat sich von einem reinen Produktionsprozess zu einem umfassenden Technologiesystem entwickelt, das Materialwissenschaft, Präzisionsmaschinen, Thermodynamik und intelligente Algorithmen integriert. Durch eine eingehende Analyse der wichtigsten Technologien wie THT, SMT und Hybridmontage können wir den Entwicklungspfad und die zukünftige Richtung der Elektronikfertigungstechnologie erkennen.

Die Technologieintegration wird das Hauptthema der künftigen Entwicklung sein, und die traditionellen Grenzen werden allmählich verschwimmen.Zum Beispiel kombiniert die neue "Half-Through-Hole"-Technologie die Zuverlässigkeit von THT mit den Vorteilen von SMT in Bezug auf die hohe Dichte; die 3D-Druck-Elektroniktechnologie könnte das bestehende Montagemodell revolutionieren. Laut Prismark’s Prognose wird SMT bis 2028 85% des weltweiten Leiterplattenbestückungsmarktes ausmachen, aber THT wird in bestimmten Bereichen einen Anteil von 10-15% beibehalten, und hybride Montagetechnologien werden bei komplexen Industrieprodukten weiter wachsen.

Nachhaltigkeit Druck zur Förderung der technologischen Innovation.

• Halogenfreie bleifreie Montageverfahren
• Energieeffiziente Produktionstechnologien mit niedriger Temperatur
• Recycelbare Designlösungen
• Biologisch abbaubare elektronische Materialien

In den nächsten fünf Jahren werden umweltfreundliche Montagetechnologien wahrscheinlich zu einer Grundvoraussetzung für den Marktzugang werden.