Технология сборки печатных плат

Обзор технологий сборки печатных плат

Сборка печатной платы (ПП) - это процесс монтажа электронных компонентов на ПП и формирования электрического соединения, который является основным звеном в производстве современных электронных изделий. С развитием электронной продукции в направлении миниатюризации и высокой производительности, технология сборки печатных плат также развивается. В настоящее время основные технологии сборки печатных плат включают в себя технологию монтажа через отверстия (THT), технологию поверхностного монтажа (SMT), гибридную технологию монтажа, а также ручной и механический монтаж и другие формы.

Сборка печатной платы - это не только простой компонент, закрепленный на подложке, но и сложный процесс, включающий в себя материаловедение, точное машиностроение, термодинамику и электронику, а также другие междисциплинарные процессы. Выбор подходящей технологии сборки напрямую влияет на надежность продукции, стоимость производства и конкурентоспособность на рынке. Согласно статистике, объем мирового рынка сборки печатных плат в 2023 году достиг около 80 миллиардов долларов США, и, как ожидается, вырастет до 120 миллиардов долларов США к 2028 году, с совокупным годовым темпом роста около 6,5%.

Технология сквозных отверстий (THT)

Технология монтажа через отверстия (THT) является одним из самых ранних методов сборки печатных плат и до сих пор играет важную роль в определенных областях. Основной принцип технологии THT заключается в установке выводов компонентов в предварительно просверленные сквозные отверстия на печатной плате, а затем припаивании их на место с другой стороны печатной платы.

Особенности технологии THT

Технология THT имеет несколько особенностей: во-первых, она образует очень прочное механическое соединение, способное выдерживать большие физические и тепловые нагрузки, что делает THT особенно подходящим для сценариев применения, требующих высокой надежности, таких как аэрокосмическая промышленность, военная техника и промышленные системы управления. Во-вторых, компоненты THT обычно имеют большое расстояние между контактами, что облегчает ручное управление и обслуживание. Согласно стандартам IPC, шаг выводов обычных компонентов THT составляет 2,54 мм (0,1 дюйма), а у некоторых мощных компонентов он может достигать 5,08 мм и более.

Технологический процесс THT

Типичный технологический процесс THT состоит из следующих этапов:

1. Вставка компонентов: Вручную или автоматически совместите контакты компонентов с отверстиями печатной платы и вставьте их
2. Сгибание штифтов: Чтобы предотвратить выпадение компонента, штифты обычно слегка отгибают наружу.
3. Волновая пайка: Печатная плата проходит через машину для пайки волной, расплавленный припой контактирует со всеми контактами снизу, образуя паяное соединение.
4. Обрезка штифтов: Используйте специальный инструмент, чтобы отрезать слишком длинные штифты.
5. Очистка и осмотр: Остатки флюса удаляются, проводится визуальный или автоматизированный оптический контроль.

Преимущества и ограничения технологии THT

Главный преимущество Технология THT отличается превосходной механической прочностью и надежностью. По данным исследований, частота отказов паяных соединений THT в условиях вибрации примерно на 30-40% ниже, чем у паяных соединений SMT. Кроме того, технология THT имеет меньше ограничений на размер компонентов и подходит для мощных и высоковольтных компонентов, таких как электролитические конденсаторы, трансформаторы и мощные резисторы.

Однако технология THT также имеет очевидные недостатки ограничения: более низкая эффективность производства, скорость современных высокоскоростных THT подключаемых машин составляет около 20 000-30 000 компонентов в час, что намного ниже, чем у SMT монтажника; печатная плата должна сверлить большое количество сквозных отверстий, увеличивая стоимость производства платы; не может достичь высокой плотности сборки, ограничивая развитие миниатюризации электронных продуктов.

Сценарии применения THT

Несмотря на то, что технология SMT стала основной, THT по-прежнему занимает важное место в следующих областях:

• Военное и аэрокосмическое электронное оборудование с высокими требованиями к надежности
• Мощные источники питания и силовая электроника
• Сборки разъемов, требующие частого подключения и отключения
• Образовательные эксперименты и создание прототипов
• Электронное оборудование, используемое в специальных условиях (например, в условиях высокой температуры и влажности).

Технология поверхностного монтажа (SMT)

Технология поверхностного монтажа (SMT) является основной технологией для сборки печатных плат сегодня, революционизируя лицо производства электроники.Технология SMT непосредственно монтирует компоненты на площадках на поверхности печатной платы и реализует электрические и механические соединения через процесс расплавления.

Технологическая революция SMT

Появление технологии SMT привело к трем основным революциям** в электронной промышленности: во-первых, революция размеров, размер SMT компонентов может быть на 60-70% меньше, чем THT компонентов, так что сотовые телефоны, умные часы и другие ультрапортативные устройства становятся возможными; во-вторых, революция эффективности, современные производственные линии SMT могут быть установлены более 100 000 компонентов в час; и, наконец, революция стоимости, SMT сокращает PCB сверления процесса, снижает расход материалов. расход материалов.

Основные этапы процесса SMT

1. Печать паяльной пастой: Трафареты из нержавеющей стали используются для точной печати паяльной пасты на площадках печатных плат. Паяльная паста представляет собой смесь мельчайших частиц припоя (обычно сплав Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) и флюса, вязкость и содержание металлов в котором необходимо строго контролировать. Исследования показали, что качество печати паяльной пасты напрямую влияет примерно на 70% дефектов пайки SMT.
2. Размещение компонентов: Высокоскоростной монтировщик через вакуумное сопло точно нанесет SMD-компоненты на паяльную пасту. Точность позиционирования современных машин может достигать ±25 мкм, а максимальная скорость превышает 150 000 компонентов в час. Компоненты размером 0201 (0,6 мм × 0,3 мм) или даже меньшего размера стали мейнстримом.
3. Пайка оплавлением: Печатные платы проходят через печь пайки через четыре температурные зоны: предварительный нагрев, смачивание, пайка и охлаждение. Типичная пиковая температура бессвинцового припоя составляет около 240-250 ℃, время контроля 60-90 секунд. Точный контроль температурного профиля необходим для предотвращения таких дефектов, как "эффект могильного камня" и "шарики припоя".

Преимущества технологии SMT

Ядро преимущества Технология SMT находит свое отражение в:

• Интеграция высокой плотности: Возможна реализация корпусов BGA и CSP с шагом 0,4 мм и менее.
• **Отличные высокочастотные характеристики **: SMD-компоненты с малыми паразитными параметрами, подходят для высокочастотных схем
• Высокая степень автоматизации: полностью автоматизированное производство может быть реализовано от печати до тестирования
• Возможность двусторонней сборки: полное использование пространства печатной платы, повышение плотности монтажа

Проблемы, с которыми сталкивается SMT

Несмотря на очевидные преимущества, технология SMT сталкивается с некоторыми вызовы:

• Миниатюризация приводит к увеличению сложности обнаружения. Для обнаружения компонента 01005 (0,4 мм x 0,2 мм) требуется оборудование 3D SPI
• Более высокие температуры бессвинцовой пайки предъявляют повышенные требования к компонентам и материалам печатных плат
• Проблемы надежности пайки с ультрамелким шагом, такие как трещины в паяных соединениях, ложная пайка и т.д.
• Переделка затруднена, особенно для компонентов BGA с нижним заполнением.

Тенденции развития технологий SMT

Технология SMT продолжает развиваться, и основные направления развития включают:

• Технология ультрамелкого шага: для работы с упаковками CSP и POP с шагом 0,3 мм или меньше.
• Технология 3D SMT: трехмерная интеграция с помощью стекирования
• Низкотемпературный процесс SMT: адаптация к гибким подложкам и термочувствительным компонентам
• Интеллектуальная линия SMT: объединение технологий искусственного интеллекта и IoT для предиктивного обслуживания и контроля качества

Полностью проанализирована технология гибридного монтажа

Гибридная технология крепления представляет собой органичное сочетание технологий THT и SMT, которое широко используется в современных сложных электронных изделиях. По статистике, около 35% промышленных плат управления и 20% автомобильных электронных плат используют гибридную технологию монтажа.

Необходимость гибридного монтажа

Сайт основная причина Рождение гибридной технологии монтажа связано с диверсификацией функций электронных изделий. Возьмем в качестве примера типичный промышленный контроллер: он требует как технологии SMT для реализации цифровых схем высокой плотности, так и технологии THT для установки мощных реле и надежных разъемов. Смешанные варианты использования в медицинских устройствах показывают, что часть SMT занимает 70-80% площади платы, а часть THT берет на себя критически важные функции интерфейса сигналов и управления питанием.

Последовательность процессов смешанного монтирования

Сайт последовательность процессов для смешанного монтажа имеет решающее значение для качества готового продукта, и есть два общих пути:

• Приоритетный маршрут SMT:

• Полная печать, размещение и запайка лицевых поверхностей SMT
• Переворачивание печатной платы для установки компонентов THT
• Пайка волной на поверхности THT (необходимо защитить паяемые SMT-компоненты)
• Ручная пайка SMT-компонентов, не выдерживающих пайку волной

• Приоритетный маршрут THT:

• Сначала вставьте компоненты THT, но пока не припаивайте их.
• Выполнение печати, размещения и запайки лицевых поверхностей SMT.
• Выборочная пайка волной или ручная пайка в конце.

Исследования показали, что совокупный выход продукции при использовании SMT-первого маршрута примерно на 5-8% выше, чем при использовании THT-первого маршрута, но требует более сложной технологической схемы и защиты приспособлений.

Основные принципы конструкции гибридного крепления

Успешная конструкция гибридного крепления требует учета нескольких факторов ключевые факторы:

• Стратегия компоновки компонентов: Компоненты THT должны располагаться по центру, чтобы облегчить последующие процессы пайки
• Разработка системы терморегулирования: THT-пайка требует защиты соседних SMT-компонентов от термического повреждения.
• Совместимость процессов: Выбирайте компоненты THT, выдерживающие температуру вторичной доводки
• Остаток стоимости: Оцените, какие компоненты THT могут быть заменены на SMT-версии для снижения стоимости.

Типичные области применения гибридных установок

Гибридная технология монтажа превосходит другие в следующих областях:

• Автомобильная электроника: блоки управления двигателем (ECU), сочетающие микроконтроллеры SMT и силовые устройства THT
• Промышленное оборудование: Логические схемы SMT и реле/разъемы THT в модулях ПЛК
• Медицинская электроника: SMT схемы обработки сигналов с высоковольтными изолирующими компонентами THT
• В аэрокосмической промышленности: Цифровые системы SMT с закаленными интерфейсными компонентами THT

Сравнительный анализ ручного и механического крепления

В дополнение к основным технологиям THT и SMT, Ручной монтаж и Механическое крепление также являются важными дополнительными способами сборки печатных плат, каждый из которых применим к различным сценариям производства.

Технология ручного монтажа

Ручной монтаж - самый примитивный метод сборки печатных плат, который все еще играет роль в определенных случаях. Технологию ручной пайки можно разделить на две категории: основы ручной пайки и точная ручная пайка.

Основы ручной пайки Использует обычный паяльник и подходит для:

• Этапы создания прототипов и НИОКР
• Мелкосерийное производство (обычно <100шт/месяц)
• Сборка крупногабаритных деталей
• Ремонт и модификации в полевых условиях

Точная ручная пайка для этого требуется микроскоп и микротонкий наконечник паяльника:

• Переделка компонентов типоразмера 0402 и ниже
• Повторная обработка корпусов BGA и QFN
• Высоконадежная пайка изделий аэрокосмического класса
• Специализированная обработка фасонных деталей

Сайт основные преимущества К преимуществам ручного монтажа относятся гибкость и низкая стоимость, но его ограничения Также очевидны: низкая стабильность (исследования показали, что процент брака при ручной пайке в 3-5 раз выше, чем при автоматизированной), неэффективность (квалифицированные рабочие выполняют примерно 200-300 паяных соединений в час) и зависимость от навыков оператора.

Механическая технология монтажа

Механический монтаж представляет собой высокоавтоматизированный направление сборки печатных плат, в основном включающее:

• Автоматический инсертер (AI): вставляет детали THT с высокой скоростью до 45 000 деталей в час
• Селективная пайка волной: точный контроль зоны пайки для минимизации теплового удара
• Автоматическая оптическая инспекция (AOI): реализует проверку качества паяного соединения 100%
• Роботизированная сборочная камера: гибкая обработка фасонных деталей

Сайт основная ценность механического крепления заключается в:

• Сверхвысокая эффективность: одна полностью автоматизированная линия SMT может производить тысячи сложных печатных плат в день
• Отличная консистенция: Значения CPK до 1,67 и более
• Прослеживаемость: Полная регистрация данных для легкого анализа качества
• Долгосрочное преимущество по стоимости: Хотя первоначальные инвестиции высоки, при больших объемах производства стоимость одного изделия значительно снижается.

Как выбрать правильную технологию сборки печатных плат

Следующие Ключевые факторы следует учитывать при выборе между ручной и механической установкой:

Iii. Выводы и рекомендации

Технология монтажа печатных плат, являющаяся основным звеном производства электроники, превратилась из чисто производственного процесса в комплексную технологическую систему, объединяющую материаловедение, точное машиностроение, термодинамику и интеллектуальные алгоритмы. Благодаря глубокому анализу основных технологий, таких как THT, SMT и гибридный монтаж, мы можем увидеть траекторию развития и будущее направление технологии производства электроники.

Интеграция технологий станет главной темой будущего развития, традиционные границы будут постепенно стираться. Например, новая технология "половинного сквозного отверстия" сочетает в себе надежность THT и высокую плотность SMT; технология 3D-печати электроники может произвести революцию в существующей модели сборки. По прогнозам Prismark, к 2028 году на SMT будет приходиться 85% мирового рынка сборки печатных плат, но THT сохранит долю в 10-15% в отдельных областях, а гибридные технологии монтажа будут продолжать расти в сложных промышленных изделиях.

Устойчивое развитие Давление на технологические инновации.

• Процессы сборки без галогенов и свинца
• Низкотемпературные, энергоэффективные технологии производства
• Дизайнерские решения, пригодные для вторичной переработки
• Биоразлагаемые электронные материалы

В ближайшие пять лет "зеленые" технологии сборки, скорее всего, станут основным требованием для выхода на рынок.