Visão geral da tecnologia de montagem de PCB
A montagem de placas de circuitos impressos (PCB) é o processo de montagem de componentes electrónicos numa PCB e de formação de uma ligação eléctrica, que é o elo principal no fabrico de produtos electrónicos modernos. Com o desenvolvimento dos produtos electrónicos no sentido da miniaturização e do elevado desempenho, a tecnologia de montagem de placas de circuito impresso também está a evoluir. Atualmente, a principal tecnologia de montagem de placas de circuito impresso inclui principalmente a tecnologia de montagem através de orifícios (THT), a tecnologia de montagem em superfície (SMT), a tecnologia de montagem híbrida, bem como a instalação manual e mecânica e outras formas.
A montagem de placas de circuito impresso não é apenas um simples componente fixado no substrato, mas também um processo complexo que envolve a ciência dos materiais, maquinaria de precisão, termodinâmica e eletrónica, bem como outros processos interdisciplinares. A seleção da tecnologia de montagem adequada afecta diretamente a fiabilidade do produto, os custos de produção e a competitividade do mercado. De acordo com as estatísticas, o tamanho do mercado global de montagem de PCB em 2023 atingiu cerca de 80 bilhões de dólares americanos e espera-se que cresça para 120 bilhões de dólares americanos até 2028, com uma taxa composta de crescimento anual de cerca de 6,5%.
Tecnologia de montagem através de orifício (THT) é um dos métodos mais antigos de montagem de placas de circuito impresso e ainda desempenha um papel importante em áreas específicas. O princípio básico da tecnologia THT consiste em inserir os pinos dos componentes em orifícios de passagem pré-perfurados na placa de circuito impresso e, em seguida, soldá-los no lugar no outro lado da placa de circuito impresso.
Caraterísticas da tecnologia THT
A tecnologia THT tem várias caraterísticas notáveis: em primeiro lugar, forma uma ligação mecânica muito forte que pode suportar grandes tensões físicas e térmicas, o que torna a THT particularmente adequada para cenários de aplicação que requerem uma elevada fiabilidade, como a indústria aeroespacial, equipamento militar e sistemas de controlo industrial. Em segundo lugar, os componentes THT têm normalmente um grande espaçamento entre pinos, o que facilita a operação e a manutenção manuais. De acordo com as normas IPC, os componentes THT comuns têm um espaçamento entre pinos de 2,54 mm (0,1 polegadas), enquanto alguns componentes de alta potência podem ter um espaçamento de 5,08 mm ou mais.
Fluxo do processo THT
Um fluxo de processo THT típico consiste nas seguintes etapas:
- Inserção de componentes: Alinhar manual ou automaticamente os pinos dos componentes com os orifícios de passagem da placa de circuito impresso e inseri-los
- Dobragem de pinos: Para evitar que o componente caia, os pinos são normalmente dobrados ligeiramente para fora
- Soldadura por onda: A placa de circuito impresso passa por uma máquina de soldar por onda, a solda derretida entra em contacto com todos os pinos a partir do fundo para formar uma junta de solda.
- Corte de pinos: Utilizar uma ferramenta especial para cortar os pinos demasiado compridos.
- Limpeza e inspeção: Os resíduos de fluxo são removidos e é efectuada uma inspeção ótica visual ou automatizada.
Vantagens e limitações da tecnologia THT
O principal vantagem da tecnologia THT é a sua excelente resistência mecânica e fiabilidade. De acordo com dados de investigação, a taxa de falha das juntas de solda THT em ambientes de vibração é aproximadamente 30-40% inferior à das juntas de solda SMT. Além disso, a tecnologia THT tem menos restrições quanto ao tamanho dos componentes e é adequada para componentes de alta potência e alta tensão, como condensadores electrolíticos, transformadores e resistências de alta potência.
No entanto, a tecnologia THT também tem óbvios limitações: menor eficiência de produção, velocidade moderna da máquina de encaixe THT de alta velocidade de cerca de 20.000-30.000 componentes por hora, muito inferior à da montadora SMT; a placa de circuito impresso precisa de perfurar um grande número de orifícios de passagem, aumentando o custo de produção da placa; não pode alcançar a montagem de alta densidade, limitando o desenvolvimento da miniaturização de produtos electrónicos.
Cenários de aplicação do THT
Embora a tecnologia SMT se tenha tornado corrente, a THT ainda mantém uma posição importante nos seguintes domínios:
- Equipamento eletrónico militar e aeroespacial com requisitos de elevada fiabilidade
- Fontes de alimentação de alta potência e eletrónica de potência
- Conjuntos de conectores que necessitam de ser ligados e desligados frequentemente
- Experimentação pedagógica e criação de protótipos
- Equipamento eletrónico utilizado em ambientes especiais (por exemplo, ambientes de alta temperatura e alta humidade)
Tecnologia de montagem em superfície (A tecnologia SMT monta diretamente os componentes em placas na superfície da placa de circuito impresso e realiza ligações eléctricas e mecânicas através do processo de refluxo.
Revolução da tecnologia SMT
O surgimento da tecnologia SMT provocou três grandes revoluções** na indústria de fabrico de produtos electrónicos: em primeiro lugar, a revolução do tamanho, o tamanho dos componentes SMT pode ser 60-70% mais pequeno do que os componentes THT, de modo que os telemóveis, os relógios inteligentes e outros dispositivos ultra-portáteis se tornam possíveis; em segundo lugar, a revolução da eficiência, as modernas linhas de produção SMT podem ser montadas com mais de 100 000 componentes por hora; e, por último, a revolução dos custos, a SMT reduz o processo de perfuração de PCB, reduz o consumo de material. consumo de material.
Principais etapas do processo SMT
- Impressão de pasta de solda: Os estênceis de aço inoxidável são utilizados para imprimir com precisão a pasta de solda nas placas de circuito impresso. A pasta de solda é uma mistura de minúsculas partículas de solda (geralmente liga Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) e fluxo, cuja viscosidade e conteúdo de metal precisam ser estritamente controlados. Estudos demonstraram que a qualidade da impressão da pasta de solda afecta diretamente cerca de 70% dos defeitos de soldadura SMT.
- Colocação de componentes: O montador de alta velocidade através do bocal de vácuo irá SMD componentes com precisão na pasta de solda. A precisão de posicionamento das modernas máquinas de colocação pode atingir ± 25μm, e a velocidade máxima excede 150.000 componentes por hora. 0201 (0,6 mm × 0,3 mm) ou componentes de tamanho ainda mais pequeno tornaram-se comuns.
- Soldadura por Refluxo: Os PCBs passam pelo forno de refluxo através de quatro zonas de temperatura: pré-aquecimento, molhagem, refluxo e arrefecimento. Temperatura típica de pico de solda sem chumbo de cerca de 240-250 ℃, controlo de tempo em 60-90 segundos. O controlo preciso do perfil de temperatura é essencial para evitar defeitos como o "efeito tombstone" e as "bolas de solda".
Vantagens da tecnologia SMT
O núcleo vantagens da tecnologia SMT reflectem-se em:
- Integração de alta densidade: Podem ser realizados pacotes BGA e CSP com um passo de 0,4 mm e inferior.
- **Excelentes caraterísticas de alta frequência: Componentes SMD com pequenos parâmetros parasitas, adequados para circuitos de alta frequência
- Elevado grau de automatização: a produção totalmente automatizada pode ser realizada desde a impressão até ao ensaio
- Capacidade de montagem em duas faces: utilização total do espaço da placa de circuito impresso, aumento da densidade de montagem
Desafios da SMT
Apesar das vantagens óbvias, a tecnologia SMT enfrenta algumas desafios:
- A miniaturização traz consigo uma dificuldade acrescida na deteção. A deteção de um componente 01005 (0,4 mm x 0,2 mm) requer equipamento SPI 3D
- As temperaturas mais elevadas da soldadura sem chumbo impõem requisitos mais elevados aos componentes e materiais de PCB
- Problemas de fiabilidade da soldadura de passo ultrafino, tais como fissuras nas juntas de soldadura, soldadura falsa, etc.
- O retrabalho é difícil, especialmente para componentes BGA com enchimento inferior.
Tendências da tecnologia SMT
A tecnologia SMT continua a evoluir, e as principais direcções de desenvolvimento incluem:
- Tecnologia de passo ultra-fino: para lidar com embalagens CSP e POP com um passo de 0,3 mm ou menos.
- Tecnologia SMT 3D: integração tridimensional através de empilhamento
- Processo SMT de baixa temperatura: adaptação a substratos flexíveis e componentes sensíveis ao calor
- Linha SMT inteligente: combinação de tecnologias de IA e IoT para manutenção preditiva e controlo de qualidade
Tecnologia de montagem híbrida totalmente analisada
Tecnologia de montagem híbrida é uma combinação orgânica das tecnologias THT e SMT, amplamente utilizada em produtos electrónicos modernos e complexos. De acordo com as estatísticas, cerca de 35% de placas de controlo industrial e 20% de placas electrónicas para automóveis utilizam a tecnologia de montagem híbrida.
A necessidade de montagem híbrida
O razão fundamental para o nascimento da tecnologia de montagem híbrida reside na diversificação das funções dos produtos electrónicos. Tomemos como exemplo um controlador industrial típico, que requer tanto a tecnologia SMT para realizar circuitos digitais de alta densidade como a tecnologia THT para instalar relés de alta potência e conectores robustos. Casos de utilização mista em dispositivos médicos mostram que a parte SMT ocupa 70-80% da área da placa, mas a parte THT assume funções críticas de interface de sinal e de gestão de energia.
Sequência do processo de montagem mista
O sequência do processo para a montagem mista é fundamental para a qualidade do produto acabado, e existem duas vias comuns:
- Impressão completa de faces SMT, colocação e refluxo
- Flip PCB para inserção de componentes THT
- Soldadura por onda em superfície THT (é necessário proteger os componentes SMT que foram soldados)
- Soldadura manual de componentes SMT que não suportam a soldadura por onda
- Insira primeiro os componentes THT, mas não os solde ainda
- Efetuar a impressão, colocação e refluxo de faces SMT.
- Soldadura por onda selectiva ou soldadura manual no final.
Os estudos demonstraram que o rendimento combinado da via SMT-primeira é cerca de 5-8% superior ao da via THT-primeira, mas exige uma conceção de processo e uma proteção de fixação mais complexas.
Fundamentos de conceção de montagem híbrida
Uma conceção de montagem híbrida bem sucedida requer a consideração de vários factores factores essenciais:
- Estratégia de disposição de componentes: Os componentes THT devem estar localizados no centro para facilitar os processos de soldadura subsequentes
- Conceção da gestão térmica: A soldadura THT tem de proteger os componentes SMT vizinhos de danos térmicos.
- Compatibilidade do processo: Selecionar componentes THT que possam suportar temperaturas de refluxo secundárias
- Saldo dos custos: Avaliar quais os componentes THT que podem ser substituídos por versões SMT para reduzir os custos.
Aplicações típicas para instalações híbridas
A tecnologia de montagem híbrida destaca-se nos seguintes domínios:
- Eletrónica automóvelunidades de controlo do motor (ECU) que combinam microcontroladores SMT e dispositivos de potência THT
- Equipamento industrial: Circuitos lógicos SMT e relés/conectores THT em módulos PLC
- Eletrónica médica: Circuitos de processamento de sinais SMT com componentes de isolamento de alta tensão THT
- Aeroespacial: Sistemas digitais SMT com componentes de interface THT reforçados
Análise comparativa da montagem manual vs. mecânica
Para além das principais tecnologias THT e SMT, Montagem manual e Fixação mecânica são também importantes meios complementares de montagem de placas de circuito impresso, cada um deles aplicável a diferentes cenários de produção.
Tecnologia de montagem manual
A montagem manual é o método mais primitivo de montagem de placas de circuito impresso e continua a desempenhar um papel em ocasiões específicas. A tecnologia de soldadura manual pode ser dividida em duas categorias: soldadura manual de base e soldadura manual de precisão.
Soldadura manual básica utiliza um ferro de soldar normal e é adequado para:
- Fases de prototipagem e I&D
- Produção de pequenos lotes (normalmente <100 unidades/mês)
- Montagem de componentes de grandes dimensões
- Reparações e modificações no terreno
Soldadura manual de precisão requer um microscópio e uma ponta de ferro de soldar microfina para:
- Retrabalho de componentes de tamanho 0402 e inferior
- Reballing de pacotes BGA e QFN
- Soldadura de alta fiabilidade de produtos de qualidade aeroespacial
- Manuseamento especializado de componentes moldados
O principais vantagens da montagem manual são a flexibilidade e o baixo custo, mas a sua limitações são também evidentes: fraca consistência (estudos demonstraram que a taxa de defeitos das juntas de soldadura manual é 3-5 vezes superior à da soldadura automatizada), ineficiência (trabalhadores qualificados completam aproximadamente 200-300 juntas de soldadura por hora) e dependência da competência do operador.
Tecnologia de montagem mecânica
A montagem mecânica representa a altamente automatizado direção de montagem de PCB, incluindo principalmente:
- Insertador automático (AI): insere componentes THT a velocidades elevadas, até 45 000 componentes por hora
- Soldadura por onda selectiva: controlo preciso da área de soldadura para minimizar o choque térmico
- Inspeção ótica automática (AOI): realiza a inspeção da qualidade da junta de soldadura 100%
- Célula de montagem robotizada: manuseamento flexível de componentes moldados
O valor fundamental de montagem mecânica reside em:
- Eficiência ultra-elevada: uma linha SMT totalmente automatizada pode produzir milhares de PCB complexas por dia
- Excelente consistência: Valores de CPK até 1,67 ou mais
- Rastreabilidade: Registo de dados completo para uma análise de qualidade fácil
- Vantagem de custo a longo prazo: Embora o investimento inicial seja elevado, o custo por peça é significativamente mais baixo em volumes elevados.
Como escolher a técnica de montagem de PCB correta
O seguinte Factores-chave deve ser considerado ao escolher entre a instalação manual ou mecânica:
| Considerações | Instalação manual Cenários de vantagens | Cenários de vantagens da instalação mecânica |
|---|
| Tamanho do lote | <100pcs/mês | >1000pcs/mês |
| Tipo de componente | Componentes moldados/sobredimensionados | Componentes SMD/THT padrão |
| Requisitos de qualidade | Classe comercial geral | Alta fiabilidade/grau médico automóvel |
| Orçamento de investimento | Limitado (<$50k) | Suficiente (>$500k) |
| Ciclo de vida do produto | Curto (≤ 1 ano) | Longo (≥ 3 anos) |
| Frequência das alterações | Elevado (semanal) | Baixa (trimestral) |
Conclusão
A tecnologia de montagem de placas de circuito impresso, enquanto elemento central do fabrico de produtos electrónicos, evoluiu de um processo de produção puro para um sistema tecnológico abrangente que integra ciência dos materiais, maquinaria de precisão, termodinâmica e algoritmos inteligentes. Através de uma análise aprofundada das principais tecnologias, como a THT, a SMT e a montagem híbrida, podemos ver a trajetória de desenvolvimento e a direção futura da tecnologia de fabrico de produtos electrónicos.
A integração tecnológica tornar-se-á o tema principal do desenvolvimento futuro e as fronteiras tradicionais esbater-se-ão gradualmente. Por exemplo, a nova tecnologia "half-through-hole" combina a fiabilidade da THT e as vantagens de alta densidade da SMT; a tecnologia eletrónica de impressão 3D pode revolucionar o modelo de montagem existente. De acordo com a previsão da Prismark, até 2028, a SMT representará 85% do mercado global de montagem de PCB, mas a THT manterá uma quota de 10-15% em áreas específicas, e as tecnologias de montagem híbrida continuarão a crescer em produtos industriais complexos.
Sustentabilidade Pressão para impulsionar a inovação tecnológica.
- Processos de montagem sem chumbo e sem halogéneos
- Tecnologias de produção a baixa temperatura e energeticamente eficientes
- Soluções de design recicláveis
- Materiais electrónicos biodegradáveis
Nos próximos cinco anos, é provável que as tecnologias de montagem ecológicas se tornem um requisito básico para o acesso ao mercado.