Tecnologia de montagem de PCBs

Visão geral da tecnologia de montagem de PCBs

A montagem de placas de circuito impresso (PCB) é o processo de montagem de componentes eletrônicos em uma PCB e a formação de uma conexão elétrica, que é o elo principal na fabricação de produtos eletrônicos modernos. Com o desenvolvimento de produtos eletrônicos na direção da miniaturização e do alto desempenho, a tecnologia de montagem de PCB também está evoluindo. Atualmente, a principal tecnologia de montagem de PCB 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 PCBs não é apenas um simples componente fixado no substrato, mas também um processo complexo que envolve ciência dos materiais, maquinário de precisão, termodinâmica e eletrônica, além de outros processos interdisciplinares. A seleção da tecnologia de montagem adequada afeta diretamente a confiabilidade do produto, os custos de produção e a competitividade do mercado. De acordo com as estatísticas, o tamanho do mercado global de montagem de PCBs 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 de crescimento anual composta de cerca de 6,5%.

Tecnologia de furo passante (THT)

Tecnologia de montagem através de orifícios (THT) é um dos métodos mais antigos de montagem de PCB e ainda desempenha um papel importante em áreas específicas. O princípio básico da tecnologia THT é inserir os pinos dos componentes em orifícios de passagem pré-perfurados na PCB e, em seguida, soldá-los no lugar no outro lado da PCB.

Recursos da tecnologia THT

A tecnologia THT tem vários recursos notáveis: primeiro, ela forma uma conexão mecânica muito forte que pode suportar grandes tensões físicas e térmicas, o que torna a THT particularmente adequada para cenários de aplicação que exigem alta confiabilidade, como aeroespacial, equipamentos militares e sistemas de controle industrial. Em segundo lugar, os componentes THT geralmente têm um grande espaçamento entre os pinos, o que facilita a operação e a manutenção manuais. De acordo com os padrões do IPC, os componentes THT comuns têm um espaçamento de pinos de 2,54 mm (0,1 polegada), 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:

1. Inserção de componentes: Alinhe manual ou automaticamente os pinos dos componentes com os orifícios de passagem da placa de circuito impresso e insira-os
2. Flexão de pinos: Para evitar que o componente caia, os pinos geralmente são dobrados ligeiramente para fora
3. Solda por onda: A PCB passa por uma máquina de solda por onda, a solda derretida entra em contato com todos os pinos a partir da parte inferior para formar uma junta de solda.
4. Corte de pinos: Use uma ferramenta especial para cortar os pinos excessivamente longos.
5. Limpeza e inspeção: O resíduo de fluxo é removido e a inspeção óptica visual ou automatizada é realizada.

Vantagens e limitações da tecnologia THT

O principal vantagem da tecnologia THT é sua excelente resistência mecânica e confiabilidade. De acordo com dados de pesquisa, a taxa de falha das juntas de solda THT em ambientes de vibração é aproximadamente 30-40% menor do que a 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 capacitores eletrolíticos, transformadores e resistores de alta potência.

No entanto, a tecnologia THT também tem óbvias limitaçõesEficiência de produção mais baixa: a velocidade das máquinas modernas de plug-in THT de alta velocidade é de cerca de 20.000 a 30.000 componentes por hora, muito menor do que a da montadora SMT; a placa de circuito impresso precisa perfurar um grande número de orifícios de passagem, o que aumenta o custo de produção da placa; não é possível realizar montagens de alta densidade, o que limita o desenvolvimento da miniaturização de produtos eletrônicos.

Cenários de aplicativos THT

Embora a tecnologia SMT tenha se tornado popular, a THT ainda mantém uma posição importante nos seguintes campos:

• Equipamentos eletrônicos militares e aeroespaciais com requisitos de alta confiabilidade
• Fontes de alimentação de alta potência e eletrônica de potência
• Conjuntos de conectores que exigem conexão e desconexão frequentes
• Experimentação educacional e criação de protótipos
• Equipamentos eletrônicos usados em ambientes especiais (por exemplo, ambientes de alta temperatura e alta umidade)

Tecnologia de montagem em superfície (SMT)

Tecnologia de montagem em superfície (A tecnologia SMT monta os componentes diretamente nas almofadas da superfície da placa de circuito impresso e realiza conexões elétricas e mecânicas por meio do processo de refluxo.

Revolução da tecnologia SMT

O surgimento da tecnologia SMT provocou três grandes revoluções** no setor de fabricação de produtos eletrônicos: primeiro, a revolução do tamanho, o tamanho do componente SMT pode ser 60-70% menor do que os componentes THT, de modo que telefones celulares, relógios inteligentes e outros dispositivos ultraportáteis se tornem possíveis; segundo, 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 do custo, o SMT reduz o processo de perfuração de PCB, reduz o consumo de material. consumo de material.

Principais etapas do processo de SMT

1. Impressão de pasta de solda: Os estênceis de aço inoxidável são usados 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 teor de metal precisam ser rigorosamente controlados. Estudos demonstraram que a qualidade da impressão da pasta de solda afeta diretamente cerca de 70% dos defeitos de solda SMT.
2. Colocação de componentes: O montador de alta velocidade através do bocal a vácuo colocará os componentes SMD com precisão na pasta de solda. A precisão de posicionamento das modernas máquinas de colocação pode chegar a ±25μm, e a velocidade máxima excede 150.000 componentes por hora. Os componentes de tamanho 0201 (0,6 mm × 0,3 mm) ou até menores se tornaram comuns.
3. Solda por refluxo: Os PCBs passam pelo forno de refluxo por quatro zonas de temperatura: pré-aquecimento, umedecimento, refluxo e resfriamento. Temperatura típica de pico de solda sem chumbo de cerca de 240-250 ℃, controle de tempo em 60-90 segundos. O controle 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 são refletidas:

• Integração de alta densidade: Podem ser realizados pacotes BGA e CSP com um passo de 0,4 mm ou menos.
• **Excelentes características de alta frequência: Componentes SMD com pequenos parâmetros parasitas, adequados para circuitos de alta frequência
• Alto grau de automação: a produção totalmente automatizada pode ser realizada desde a impressão até o teste
• Capacidade de montagem em frente e verso: utilização total do espaço da placa de circuito impresso, aumento da densidade de montagem

Desafios enfrentados pela SMT

Apesar das vantagens óbvias, a tecnologia SMT enfrenta algumas desafios:

• A miniaturização traz maior dificuldade na detecção. A detecção de um componente 01005 (0,4 mm x 0,2 mm) requer equipamento SPI 3D
• As temperaturas mais altas da solda sem chumbo impõem requisitos mais altos aos componentes e materiais de PCB
• Problemas de confiabilidade da solda de passo ultrafino, como juntas de solda rachadas, solda falsa, etc.
• O retrabalho é difícil, especialmente para componentes BGA com preenchimento inferior.

Tendências da tecnologia SMT

A tecnologia SMT continua a evoluir, e as principais direções de desenvolvimento incluem:

• Tecnologia de passo ultrafino: para lidar com pacotes CSP e POP com um passo de 0,3 mm ou menos.
• Tecnologia SMT 3DIntegração tridimensional por meio de empilhamento
• Processo SMT de baixa temperaturaAdaptação a substratos flexíveis e componentes sensíveis ao calor
• Linha SMT inteligente: combinando tecnologias de IA e IoT para manutenção preditiva e controle 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 eletrônicos modernos e complexos. De acordo com as estatísticas, cerca de 35% de placas de controle industrial e 20% de placas eletrônicas automotivas usam a tecnologia de montagem híbrida.

A necessidade de montagem híbrida

O razão fundamental para o nascimento da tecnologia de montagem híbrida está na diversificação das funções dos produtos eletrônicos. Tomemos como exemplo um controlador industrial típico, que requer tanto a tecnologia SMT para realizar circuitos digitais de alta densidade quanto a tecnologia THT para instalar relés de alta potência e conectores robustos. Casos de uso misto 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 gerenciamento de energia.

Sequência do processo de montagem mista

O sequência de processos para montagem mista é fundamental para a qualidade do produto final, e há duas rotas comuns:

• Rota prioritária SMT:

• Impressão, colocação e refluxo completos da face SMT
• Flip PCB para inserção de componentes THT
• Solda por onda na superfície THT (é necessário proteger os componentes SMT que foram soldados)
• Solda manual de componentes SMT que não suportam a solda por onda

• Rota prioritária THT:

• Insira os componentes THT primeiro, mas não os solde ainda
• Realizar impressão, colocação e refluxo de faces SMT.
• Solda por onda seletiva ou solda manual no final.

Estudos demonstraram que o rendimento combinado da rota SMT-first é cerca de 5-8% maior do que o da rota THT-first, mas requer um projeto de processo mais complexo e proteção de fixação.

Fundamentos do projeto de montagem híbrida

Um projeto de montagem híbrida bem-sucedido requer a consideração de vários aspectos fatores-chave:

• Estratégia de layout de componentes: Os componentes THT devem estar localizados no centro para facilitar os processos de soldagem subsequentes
• Projeto de gerenciamento térmico: A solda THT precisa proteger os componentes SMT vizinhos contra danos térmicos.
• Compatibilidade do processo: Selecione componentes THT que possam suportar temperaturas de refluxo secundárias
• Saldo do custo: Avalie quais componentes THT podem ser substituídos por versões SMT para reduzir o custo.

Aplicações típicas para instalações híbridas

A tecnologia de montagem híbrida se destaca nas seguintes áreas:

• Eletrônica automotivaUnidades de controle do motor (ECUs) que combinam microcontroladores SMT e dispositivos de energia THT
• Equipamento industrial: Circuitos lógicos SMT e relés/conectores THT em módulos PLC
• Eletrônica médica: Circuitos de processamento de sinais SMT com componentes de isolamento de alta tensão THT
• Aeroespaço: Sistemas digitais SMT com componentes de interface THT reforçados

Análise comparativa entre montagem manual e mecânica

Além das principais tecnologias THT e SMT, Montagem manual e Montagem mecânica também são meios complementares importantes de montagem de PCBs, cada um aplicável a diferentes cenários de produção.

Tecnologia de montagem manual

A montagem manual é o método de montagem de PCB mais primitivo e ainda desempenha um papel em ocasiões específicas. A tecnologia de solda manual pode ser dividida em duas categorias: soldagem manual básica e solda manual de precisão.

Solda manual básica utiliza um ferro de solda comum e é adequado para:

• Estágios de prototipagem e P&D
• Produção em pequenos lotes (geralmente <100 unidades/mês)
• Montagem de componentes de grande porte
• Reparos e modificações em campo

Solda manual de precisão requer um microscópio e uma ponta de ferro de solda microfina para:

• Retrabalho de componentes de tamanho 0402 e inferior
• Reballing de pacotes BGA e QFN
• Solda de alta confiabilidade de produtos de nível aeroespacial
• Manuseio especializado de componentes moldados

O principais vantagens A montagem manual é flexível e de baixo custo, mas sua limitações também são evidentes: baixa consistência (estudos demonstraram que a taxa de defeitos das juntas de solda manual é de 3 a 5 vezes maior do que a da solda automatizada), ineficiência (trabalhadores qualificados realizam aproximadamente 200 a 300 juntas de solda por hora) e dependência da habilidade do operador.

Tecnologia de montagem mecânica

A montagem mecânica representa o altamente automatizado direção de montagem de PCB, incluindo principalmente:

• Inseridor automático (AI): insere componentes THT em altas velocidades de até 45.000 componentes por hora
• Solda por onda seletivaControle preciso da área de solda para minimizar o choque térmico
• Inspeção óptica automática (AOI): realiza a inspeção de qualidade da junta de solda 100%
• Célula de montagem robóticaManuseio flexível de componentes moldados

O valor central de montagem mecânica está em:

• Eficiência ultra-alta: uma linha SMT totalmente automatizada pode produzir milhares de PCBs complexas por dia
• Excelente consistência: Valores de CPK de até 1,67 ou mais
• Rastreabilidade: Registro de dados completo para facilitar a análise da qualidade
• Vantagem de custo em longo prazo: Embora o investimento inicial seja alto, o custo por peça é significativamente menor em grandes volumes.

Como escolher a técnica correta de montagem de PCB

O seguinte Principais fatores devem ser considerados ao escolher entre a instalação manual ou mecânica:

Conclusão

A tecnologia de montagem de PCB, como elo central da fabricação de produtos eletrônicos, evoluiu de um processo de produção puro para um sistema de tecnologia abrangente que integra ciência de materiais, maquinário de precisão, termodinâmica e algoritmos inteligentes. Por meio de uma análise aprofundada das principais tecnologias, como THT, SMT e montagem híbrida, podemos ver a trajetória de desenvolvimento e a direção futura da tecnologia de fabricação de produtos eletrônicos.

A integração de tecnologias se tornará o tema principal do desenvolvimento futuro, e os limites tradicionais se tornarão gradualmente indistintos. Por exemplo, a nova tecnologia "half-through-hole" combina a confiabilidade da THT e as vantagens de alta densidade da SMT; a tecnologia eletrônica de impressão 3D pode revolucionar o modelo de montagem existente. De acordo com a previsão da Prismark, até 2028, a SMT será responsável por 85% do mercado global de montagem de PCBs, mas a THT manterá uma participação 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 halogênio
• Tecnologias de produção de baixa temperatura e com eficiência energética
• Soluções de design recicláveis
• Materiais eletrônicos biodegradáveis

Nos próximos cinco anos, é provável que as tecnologias de montagem ecológica se tornem um requisito básico para o acesso ao mercado.