PCB-monteringsteknologi

Oversigt over PCB-monteringsteknologi

PCB-samling (Printed Circuit Board) er processen med at montere elektroniske komponenter på et PCB og danne en elektrisk forbindelse, som er det centrale led i fremstillingen af moderne elektroniske produkter. Med udviklingen af elektroniske produkter i retning af miniaturisering og høj ydeevne udvikler PCB-samlingsteknologien sig også. I øjeblikket omfatter mainstream PCB-monteringsteknologi hovedsageligt gennemgående hulmonteringsteknologi (THT), overflademonteringsteknologi (SMT), hybridmonteringsteknologi samt manuel og mekanisk installation og andre former.

PCB-samling er ikke kun en simpel komponent, der er fastgjort på underlaget, men også en kompleks proces, der involverer materialevidenskab, præcisionsmaskiner, termodynamik og elektronik og andre tværfaglige processer.Valget af passende samlingsteknologi påvirker direkte produktets pålidelighed, produktionsomkostninger og markedets konkurrenceevne.Ifølge statistikkerne har den globale markedsstørrelse for PCB-samling i 2023 nået omkring 80 milliarder amerikanske dollars og forventes at vokse til 120 milliarder amerikanske dollars i 2028 med en sammensat årlig vækstrate på ca. 6,5%.

Gennemgående hul-teknologi (THT)

Teknologi til montering gennem huller (THT) er en af de tidligste PCB-samlingsmetoder og spiller stadig en vigtig rolle inden for bestemte områder. Det grundlæggende princip i THT-teknologien er at indsætte komponenternes stifter i forborede gennemgående huller på printkortet og derefter lodde dem på plads på den anden side af printkortet.

Funktioner i THT-teknologi

THT-teknologien har flere bemærkelsesværdige egenskaber: For det første danner den en meget stærk mekanisk forbindelse, der kan modstå store fysiske og termiske belastninger, hvilket gør THT særligt velegnet til anvendelsesscenarier, der kræver høj pålidelighed, som f.eks. rumfart, militært udstyr og industrielle kontrolsystemer.For det andet har THT-komponenter normalt stor pinafstand, hvilket letter manuel betjening og vedligeholdelse. Ifølge IPC-standarderne har almindelige THT-komponenter en pinafstand på 2,54 mm (0,1 tommer), mens nogle højeffektkomponenter kan have en afstand på 5,08 mm eller mere.

THT's procesflow

Et typisk THT-procesflow består af følgende trin:

1. Indsættelse af komponenter: Juster manuelt eller automatisk komponentstifterne med PCB'ets via-huller, og indsæt dem
2. Bøjning af stifter: For at forhindre, at komponenten falder ud, er stifterne normalt bøjet lidt udad.
3. Bølgelodning: PCB passerer gennem en bølgeloddemaskine, smeltet loddemetal kommer i kontakt med alle stifter fra bunden for at danne en loddeforbindelse.
4. Trimning af stifter: Brug et specialværktøj til at skære for lange stifter af.
5. Rengøring og inspektion: Fluxrester fjernes, og der udføres visuel eller automatiseret optisk inspektion.

THT-teknologiens fordele og begrænsninger

Det vigtigste fordel af THT-teknologien er dens fremragende mekaniske styrke og pålidelighed. Ifølge forskningsdata er fejlraten for THT-lodninger i vibrationsmiljøer ca. 30-40% lavere end for SMT-lodninger. Desuden har THT-teknologien færre begrænsninger på komponentstørrelsen og er velegnet til højeffekt- og højspændingskomponenter som f.eks. elektrolytkondensatorer, transformatorer og højeffektmodstande.

THT-teknologien har dog også indlysende Begrænsninger: lavere produktionseffektivitet, moderne højhastigheds THT plug-in maskine hastighed på omkring 20.000-30.000 komponenter i timen, meget lavere end SMT mounter; PCB skal bore et stort antal gennemgående huller, hvilket øger omkostningerne ved kortproduktion; kan ikke opnå samling med høj densitet, hvilket begrænser udviklingen af miniaturisering af elektroniske produkter.

THT-applikationsscenarier

Selvom SMT-teknologien er blevet mainstream, har THT stadig en vigtig position inden for følgende områder:

• Elektronisk udstyr til militær og rumfart med høje krav til pålidelighed
• Strømforsyninger med høj effekt og effektelektronik
• Forbindelsesenheder, der kræver hyppig tilslutning og frakobling
• Uddannelsesmæssige eksperimenter og prototyper
• Elektronisk udstyr, der bruges i særlige miljøer (f.eks. miljøer med høj temperatur og høj luftfugtighed)

Overflademonteringsteknologi (SMT)

Overflademonteringsteknologi (SMT) er mainstream-teknologien til PCB-samling i dag og revolutionerer elektronikproduktionen.SMT-teknologien monterer komponenter direkte på puder på overfladen af PCB'et og realiserer elektriske og mekaniske forbindelser gennem reflow-processen.

Revolution inden for SMT-teknologi

Fremkomsten af SMT-teknologi har medført tre store revolutioner** i elektronikfremstillingsindustrien: for det første størrelsesrevolutionen, SMT-komponentstørrelse kan være 60-70% mindre end THT-komponenter, så mobiltelefoner, smarte ure og andre ultrabærbare enheder bliver mulige; for det andet effektivitetsrevolutionen, moderne SMT-produktionslinjer kan monteres mere end 100.000 komponenter i timen; og endelig omkostningsrevolutionen, SMT reducerer PCB-boreprocessen, reducerer materialeforbruget. materialeforbrug.

SMT's vigtigste procestrin

1. Udskrivning af loddepasta: Stencils i rustfrit stål bruges til nøjagtigt at printe loddepasta på PCB-pads. Loddepasta er en blanding af små loddepartikler (normalt Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5-legering) og flux, hvis viskositet og metalindhold skal kontrolleres nøje. Undersøgelser har vist, at kvaliteten af loddepastatryk direkte påvirker ca. 70 % af SMT-lodningsfejlene.
2. Placering af komponenter: Højhastighedsmontør gennem vakuumdysen vil SMD-komponenter nøjagtigt på loddepastaen. Positioneringsnøjagtigheden for moderne placeringsmaskiner kan nå ±25 μm, og den maksimale hastighed overstiger 150.000 komponenter i timen. 0201 (0,6 mm × 0,3 mm) eller endnu mindre komponenter er blevet mainstream.
3. Reflow-lodningPCB'er passerer gennem reflow-ovnen gennem fire temperaturzoner: forvarmning, befugtning, reflow og afkøling.Typisk spidstemperatur for blyfri lodning på ca. 240-250 ℃, tidskontrol på 60-90 sekunder.Præcis kontrol af temperaturprofilen er afgørende for at undgå defekter som "gravstenseffekt" og "loddekugler".

Fordele ved SMT-teknologi

Kernen fordele af SMT-teknologi afspejles i:

• Integration med høj tæthed: BGA- og CSP-pakker med en pitch på 0,4 mm og derunder kan realiseres.
• **Fremragende højfrekvensegenskaber **:SMD-komponenter med små parasitære parametre, velegnet til højfrekvente kredsløb
• Høj grad af automatisering: fuldautomatisk produktion kan realiseres fra print til test
• Mulighed for dobbeltsidet montering: fuld udnyttelse af PCB-pladsen, øget samlingstæthed

Udfordringer for SMT

På trods af de åbenlyse fordele står SMT-teknologien over for nogle udfordringer:

• Miniaturisering medfører øgede vanskeligheder med detektion. Detektering af en 01005 (0,4 mm x 0,2 mm) komponent kræver 3D SPI-udstyr.
• Højere temperaturer ved blyfri lodning stiller større krav til komponenter og PCB-materialer
• Problemer med pålideligheden af ultrafine pitch-lodninger, f.eks. revnede loddesamlinger, falske lodninger osv.
• Rework er vanskeligt, især for bundfyldte BGA-komponenter.

Tendenser inden for SMT-teknologi

SMT-teknologien fortsætter med at udvikle sig, og de vigtigste udviklingsretninger omfatter:

• Ultrafin pitch-teknologi: til at klare CSP- og POP-pakker med en pitch på 0,3 mm eller mindre.
• 3D SMT-teknologi: tredimensionel integration gennem stabling
• SMT-proces ved lav temperatur: tilpasning til fleksible substrater og varmefølsomme komponenter
• Smart SMT-linje: kombinerer AI- og IoT-teknologier til prædiktiv vedligeholdelse og kvalitetskontrol

Hybrid monteringsteknologi fuldt analyseret

Hybrid monteringsteknologi er en organisk kombination af THT- og SMT-teknologi, som er meget udbredt i moderne komplekse elektroniske produkter. Ifølge statistikkerne bruger ca. 35 % af de industrielle kontroltavler og 20 % af de elektroniske tavler i bilindustrien hybrid monteringsteknologi.

Behovet for hybridmontering

Den grundlæggende årsag Årsagen til hybridmonteringsteknologiens fødsel ligger i diversificeringen af elektroniske produkters funktioner. Tag en typisk industriel controller som eksempel, den kræver både SMT-teknologi til at realisere digitale kredsløb med høj densitet og THT-teknologi til at installere højeffektrelæer og robuste stik. Blandede anvendelsestilfælde i medicinsk udstyr viser, at SMT-delen optager 70-80 % af kortets areal, men THT-delen påtager sig kritiske signalinterface- og strømstyringsfunktioner.

Processekvens for blandet montering

Den procesforløb til blandet montering er afgørende for kvaliteten af det færdige produkt, og der er to almindelige ruter:

• SMT-prioriteret rute:

• Komplet SMT-frontprint, placering og reflow
• Flip PCB til indsættelse af THT-komponenter
• Bølgelodning af THT-overflade (nødvendigt at beskytte de SMT-komponenter, der er blevet loddet)
• Manuel lodning af SMT-komponenter, der ikke tåler bølgelodning

• THT's prioriterede rute:

• Indsæt THT-komponenterne først, men lod dem ikke endnu
• Udfør printning af SMT-flader, placering og reflow.
• Selektiv bølgelodning eller manuel lodning til sidst.

Undersøgelser har vist, at det kombinerede udbytte af SMT-første rute er ca. 5-8% højere end THT-første rute, men kræver mere komplekst procesdesign og fixturbeskyttelse.

Grundlæggende design af hybridmontering

Et vellykket design af en hybridmontering kræver, at man tager hensyn til flere ting Nøglefaktorer:

• Strategi for komponentlayout: THT-komponenter skal placeres centralt for at lette efterfølgende loddeprocesser
• Design af termisk styring: THT-lodning skal beskytte nærliggende SMT-komponenter mod termisk skade.
• Proceskompatibilitet: Vælg THT-komponenter, der kan modstå sekundære reflow-temperaturer
• Balance af omkostninger: Vurder, hvilke THT-komponenter der kan erstattes med SMT-versioner for at reducere omkostningerne.

Typiske anvendelser for hybridinstallationer

Hybrid monteringsteknologi udmærker sig på følgende områder:

• Elektronik til biler: motorstyringsenheder (ECU'er), der kombinerer SMT-mikrocontrollere og THT-strømforsyninger
• Industrielt udstyr: SMT-logiske kredsløb og THT-relæer/kontakter i PLC-moduler
• Medicinsk elektronik: SMT-signalbehandlingskredsløb med THT-komponenter til højspændingsisolering
• Aerospaceapsulationsprocesser og møderSMT-digitalsystemer med hærdede THT-grænsefladekomponenter

Sammenlignende analyse af manuel vs. mekanisk montering

Ud over de almindelige THT- og SMT-teknologier, Manuel montering og Mekanisk montering er også vigtige komplementære metoder til PCB-samling, som hver især kan anvendes til forskellige produktionsscenarier.

Manuel monteringsteknologi

Manuel montering er den mest primitive PCB-samlingsmetode og spiller stadig en rolle ved særlige lejligheder. Manuel loddeteknologi kan opdeles i to kategorier: grundlæggende manuel lodning og Manuel præcisionslodning.

Grundlæggende håndlodning bruger en almindelig loddekolbe og er velegnet til:

• Prototyping og R&D-faser
• Lille serieproduktion (normalt 100 stk. pr. måned)
• Montering af store komponenter
• Reparationer og ændringer i marken

Præcisionshåndlodning kræver et mikroskop og en mikrofin loddekolbespids til:

• Omarbejdning af komponenter i størrelse 0402 og derunder
• Reballing af BGA- og QFN-pakker
• Meget pålidelig lodning af produkter til luft- og rumfart
• Specialiseret håndtering af formede komponenter

Den primære fordele af manuel montering er fleksibilitet og lave omkostninger, men den Begrænsninger er også tydelige: dårlig konsistens (undersøgelser har vist, at fejlprocenten ved manuelle lodninger er 3-5 gange højere end ved automatiseret lodning), ineffektivitet (faglærte arbejdere udfører ca. 200-300 lodninger i timen) og afhængighed af operatørens færdigheder.

Mekanisk monteringsteknologi

Mekanisk montering repræsenterer meget automatiseret retning af PCB-samling, hovedsageligt inklusive:

• Automatisk indsætter (AI): indsætter THT-komponenter ved høje hastigheder på op til 45.000 komponenter i timen
• Selektiv bølgelodning: præcis kontrol af loddeområdet for at minimere termisk chok
• Automatisk optisk inspektion (AOI): realiserer 100% kvalitetskontrol af loddeforbindelser
• Robotstyret montagecelle: fleksibel håndtering af formede komponenter

Den kerneværdi af mekanisk montering ligger i:

• Ultrahøj effektivitet: En fuldautomatisk SMT-linje kan producere tusindvis af komplekse printkort om dagen.
• Fremragende konsistens: CPK-værdier op til 1,67 eller mere
• Sporbarhed:Fuld datalogning for nem kvalitetsanalyse
• Langsigtet omkostningsfordel:Selv om den indledende investering er høj, er omkostningerne pr. styk betydeligt lavere ved store mængder.

Sådan vælger du den rigtige PCB-samlingsteknik

Det følgende Vigtige faktorer bør overvejes, når man vælger mellem manuel eller mekanisk installation:

Konklusion

PCB-samlingsteknologi, som er kernen i elektronisk produktion, har udviklet sig fra en ren produktionsproces til et omfattende teknologisystem, der integrerer materialevidenskab, præcisionsmaskiner, termodynamik og intelligente algoritmer. Gennem en dybtgående analyse af mainstream-teknologier som THT, SMT og hybridmontering kan vi se udviklingsforløbet og den fremtidige retning for elektronikproduktionsteknologi.

Teknologiintegration vil blive hovedtemaet i den fremtidige udvikling, og de traditionelle grænser vil gradvist blive udvisket.For eksempel kombinerer den nye "half-through-hole"-teknologi THT's pålidelighed og SMT's fordele ved høj densitet; 3D-printelektronikteknologi kan revolutionere den eksisterende samlingsmodel. Ifølge Prismarks prognose vil SMT i 2028 udgøre 85 % af det globale marked for printkortmontage, men THT vil bevare en andel på 10-15 % inden for specifikke områder, og hybride monteringsteknologier vil fortsætte med at vokse i komplekse industriprodukter.

Bæredygtighed Pres for at drive teknologisk innovation.

• Halogenfri, blyfri samleprocesser
• Energieffektive produktionsteknologier med lav temperatur
• Genanvendelige designløsninger
• Bionedbrydelige elektroniske materialer

I løbet af de næste fem år vil grønne samlingsteknologier sandsynligvis blive et grundlæggende krav for at få adgang til markedet.