PCB-kokoonpanotekniikka

PCB-kokoonpanotekniikan yleiskatsaus

Painetun piirilevyn (PCB) kokoonpano on prosessi, jossa elektroniset komponentit asennetaan piirilevylle ja muodostetaan sähköinen liitäntä, joka on nykyaikaisten elektroniikkatuotteiden valmistuksen keskeinen lenkki. Kun elektroniikkatuotteiden kehitys on mennyt kohti pienentämistä ja suurta suorituskykyä, myös piirilevyjen kokoonpanotekniikka kehittyy. Tällä hetkellä valtavirran piirilevyn kokoonpanotekniikkaan kuuluu pääasiassa läpireikäasennustekniikka (THT), pinta-asennustekniikka (SMT), hybridiasennustekniikka sekä manuaalinen ja mekaaninen asennus ja muut muodot.

Piirilevyn kokoonpano ei ole vain yksinkertainen komponentti, joka on kiinnitetty alustaan, vaan myös monimutkainen prosessi, johon liittyy materiaalitiedettä, tarkkuuskoneita, termodynamiikkaa ja elektroniikkaa sekä muita monialaisia prosesseja.Sopivan kokoonpanotekniikan valinta vaikuttaa suoraan tuotteen luotettavuuteen, tuotantokustannuksiin ja markkinoiden kilpailukykyyn.Tilastojen mukaan maailmanlaajuisten piirilevykokoonpanomarkkinoiden koko vuonna 2023 on noussut noin 80 miljardiin Yhdysvaltain dollariin, ja sen odotetaan kasvavan 120 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuoteen 2028 mennessä noin 6,5 prosentin vuotuisella kasvuvauhdilla.

Läpivientireikä-tekniikka (THT)

Läpireikäasennustekniikka (THT) on yksi varhaisimmista piirilevyjen kokoonpanomenetelmistä, ja sillä on edelleen tärkeä rooli tietyillä aloilla. THT-tekniikan perusperiaatteena on asettaa komponenttien nastat piirilevyn esiporattuihin läpivientireikiin ja juottaa ne sitten paikalleen piirilevyn toiselle puolelle.

THT-tekniikan ominaisuudet

THT-tekniikalla on useita merkittäviä ominaisuuksia: ensinnäkin se muodostaa erittäin vahvan mekaanisen liitoksen, joka kestää suuria fyysisiä ja termisiä rasituksia, minkä vuoksi THT soveltuu erityisen hyvin sovelluksiin, joissa vaaditaan suurta luotettavuutta, kuten ilmailu- ja avaruusalalla, sotilaslaitteissa ja teollisuuden ohjausjärjestelmissä.Toiseksi THT-komponenteissa on yleensä suuri tappiväli, mikä helpottaa manuaalista käyttöä ja huoltoa. IPC:n standardien mukaan tavallisten THT-komponenttien tappiväli on 2,54 mm (0,1 tuumaa), kun taas joidenkin suuritehoisten komponenttien tappiväli voi olla 5,08 mm tai enemmän.

THT-prosessin kulku

Tyypillinen THT-prosessivirta koostuu seuraavista vaiheista:

1. Komponentin lisääminen: Kohdista komponenttien nastat manuaalisesti tai automaattisesti piirilevyn läpivientireikien kanssa ja aseta ne paikalleen.
2. Tapin taivuttaminen: Jotta komponentti ei putoaisi ulos, tapit taivutetaan yleensä hieman ulospäin.
3. Aaltojuottaminen: Piirilevy kulkee aaltojuotoskoneen läpi, sulanut juote koskettaa kaikkia nastoja alhaaltapäin juotosliitoksen muodostamiseksi.
4. Pin Trimmaus: Käytä erikoistyökalua liian pitkien tappien katkaisemiseen.
5. Puhdistus ja tarkastus: Vuojäämät poistetaan ja suoritetaan visuaalinen tai automaattinen optinen tarkastus.

THT-tekniikan edut ja rajoitukset

Tärkein etu THT-tekniikan erityispiirteenä on sen erinomainen mekaaninen lujuus ja luotettavuus. Tutkimustietojen mukaan THT-juotosliitosten vikaantumisprosentti tärinäympäristöissä on noin 30-40 prosenttia pienempi kuin SMT-juotosliitosten. Lisäksi THT-tekniikalla on vähemmän rajoituksia komponenttien koon suhteen, ja se soveltuu suuritehoisille ja -jännitteisille komponenteille, kuten elektrolyyttikondensaattoreille, muuntajille ja suuritehoisille vastuksille.

THT-tekniikalla on kuitenkin myös ilmeisiä rajoitukset: alhaisempi tuotantotehokkuus, nykyaikainen nopea THT plug-in-koneen nopeus on noin 20 000-30 000 komponenttia tunnissa, paljon alhaisempi kuin SMT-laskuri; PCB: n on porattava suuri määrä läpivientireikiä, mikä lisää levytuotannon kustannuksia; ei voi saavuttaa tiheää kokoonpanoa, mikä rajoittaa elektronisten tuotteiden miniatyrisoinnin kehitystä.

THT-sovellusskenaariot

Vaikka SMT-tekniikasta on tullut valtavirtaa, THT:llä on edelleen tärkeä asema seuraavilla aloilla:

• Sotilas- ja ilmailu- ja avaruuselektroniikkalaitteet, joilla on korkeat luotettavuusvaatimukset.
• Suuritehoiset teholähteet ja tehoelektroniikka
• Liitinkokoonpanot, jotka vaativat usein kytkemistä ja irrottamista.
• Koulutuksellinen kokeilu ja prototyyppien luominen
• Elektroniset laitteet, joita käytetään erityisympäristöissä (esim. korkeissa lämpötiloissa ja kosteissa ympäristöissä).

Pinta-asennustekniikka (SMT)

Pinta-asennustekniikka (SMT) on nykyään PCB-kokoonpanon valtavirtatekniikka, joka mullistaa elektroniikan valmistuksen.SMT-tekniikka asentaa komponentit suoraan piirilevyn pinnalla oleviin tyynyihin ja toteuttaa sähköiset ja mekaaniset liitokset reflow-prosessin avulla.

SMT-teknologian vallankumous

SMT-tekniikan syntyminen on aiheuttanut kolme suurta vallankumousta** elektroniikkateollisuudessa: ensinnäkin kokovallankumous, SMT-komponenttien koko voi olla 60-70% pienempi kuin THT-komponenttien, joten matkapuhelimet, älykellot ja muut ultrakannettavat laitteet ovat mahdollisia; toiseksi tehokkuusvallankumous, nykyaikaiset SMT-tuotantolinjat voidaan asentaa yli 100 000 komponenttia tunnissa; ja lopuksi kustannusvallankumous, SMT vähentää piirilevyn porausta, vähentää materiaalin kulutusta. materiaalin kulutusta.

SMT-prosessin keskeiset vaiheet

1. Juotospastan tulostus: Ruostumattomasta teräksestä valmistettuja kaavaimia käytetään juotospastan tarkkaan tulostamiseen piirilevytyynyille. Juotospasta on pienten juotoshiukkasten (yleensä Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5-seos) ja juoksevien aineiden seos, jonka viskositeettia ja metallipitoisuutta on valvottava tarkasti. Tutkimukset ovat osoittaneet, että juotospastan tulostuksen laatu vaikuttaa suoraan noin 70 %:iin SMT-juotosvirheistä.
2. Komponenttien sijoittelu: Suurnopeusliitin tyhjiösuuttimen kautta SMD-komponentit tarkasti juotospastaan. Nykyaikaisten sijoituskoneiden paikannustarkkuus voi olla ±25μm, ja enimmäisnopeus ylittää 150 000 komponenttia tunnissa. 0201 (0,6 mm × 0,3 mm) tai jopa pienempikokoisista komponenteista on tullut valtavirtaa.
3. Reflow-juottaminenPiirilevyt kulkevat reflow-uunin läpi neljän lämpötilavyöhykkeen läpi: esilämmitys, kostutus, reflow ja jäähdytys.Tyypillinen lyijyttömän juotteen huippulämpötila on noin 240-250 ℃, aikaohjaus 60-90 sekuntia.Lämpötilaprofiilin tarkka säätö on välttämätöntä, jotta vältetään virheet, kuten "tombstone-efekti" ja "juotospallot".

SMT-tekniikan edut

Ydin edut SMT-tekniikan edut näkyvät:

• Tiheä integrointi: BGA- ja CSP-paketit, joiden jako on 0,4 mm ja alle, voidaan toteuttaa.
• **Erinomaiset korkeataajuusominaisuudet **:SMD-komponentit, joilla on pienet loisparametrit, soveltuvat suurtaajuuspiireihin.
• Korkea automaatioaste: Täysin automatisoitu tuotanto voidaan toteuttaa tulostuksesta testaukseen.
• Kaksipuolinen kokoonpanovalmius: piirilevytilan täysi hyödyntäminen, kokoonpanotiheyden lisääminen

SMT:n haasteet

Ilmeisistä eduista huolimatta SMT-tekniikkaan liittyy joitakin ongelmia. haasteet:

• Pienentäminen vaikeuttaa havaitsemista. 01005-komponentin (0,4 mm x 0,2 mm) havaitseminen edellyttää 3D SPI -laitteistoa.
• Lyijyttömän juottamisen korkeammat lämpötilat asettavat suuremmat vaatimukset komponenteille ja piirilevymateriaaleille.
• Erittäin hienojakoisen juottamisen luotettavuusongelmat, kuten murtuneet juotosliitokset, väärä juottaminen jne.
• Uudelleentyöstäminen on vaikeaa, erityisesti alhaalta täytettyjen BGA-komponenttien osalta.

SMT-teknologian trendit

SMT-tekniikka kehittyy jatkuvasti, ja tärkeimmät kehityssuunnat ovat seuraavat:

• Erittäin hienojakoinen tekniikka: soveltuu CSP- ja POP-paketteihin, joiden jako on enintään 0,3 mm.
• 3D SMT-tekniikka: kolmiulotteinen integrointi pinoamalla
• Matalan lämpötilan SMT-prosessi: mukautuu joustaviin alustoihin ja lämpöherkkiin komponentteihin.
• Älykäs SMT-linja: Tekoäly- ja IoT-teknologioiden yhdistäminen ennakoivaan kunnossapitoon ja laadunvalvontaan.

Hybridikiinnitystekniikka täysin analysoitu

Hybridikiinnitystekniikka on THT- ja SMT-tekniikan orgaaninen yhdistelmä, jota käytetään laajalti nykyaikaisissa monimutkaisissa elektroniikkatuotteissa. Tilastojen mukaan noin 35 % teollisuuden ohjaustauluista ja 20 % autoteollisuuden elektroniikkalevyistä käyttää hybridiasennustekniikkaa.

Hybridikiinnityksen tarve

The perustavanlaatuinen syy hybridiasennustekniikan synty johtuu elektronisten tuotteiden toimintojen monipuolistumisesta. Esimerkkinä tyypillinen teollisuusohjain, joka vaatii sekä SMT-tekniikkaa tiheiden digitaalisten piirien toteuttamiseen että THT-tekniikkaa suuritehoisten releiden ja vankkojen liittimien asentamiseen. Lääkintälaitteiden sekalaiset käyttötapaukset osoittavat, että SMT-osa vie 70-80 prosenttia piirilevyn pinta-alasta, mutta THT-osa ottaa hoitaakseen kriittiset signaaliliitäntä- ja virranhallintatoiminnot.

Mixed mount -prosessin sekvenssi

The prosessijärjestys on lopputuotteen laadun kannalta ratkaisevan tärkeää, ja on olemassa kaksi yleistä reittiä:

• SMT Prioriteettireitti:

• Täydellinen SMT-pintatulostus, sijoittelu ja uudelleenvalu
• Flip PCB THT-komponenttien asettamista varten
• Aaltojuottaminen THT-pinnalla (juotetut SMT-komponentit on suojattava).
• SMT-komponenttien manuaalinen juottaminen, jotka eivät kestä aaltojuottamista.

• THT Ensisijainen reitti:

• Aseta THT-komponentit ensin paikalleen, mutta älä juota niitä vielä.
• Suorita SMT-pintatulostus, -asennus ja -reflow.
• Valikoiva aaltojuottaminen tai manuaalinen juottaminen lopussa.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että SMT-ensimmäisen reitin yhteenlaskettu tuotto on noin 5-8 % korkeampi kuin THT-ensimmäisen reitin, mutta se edellyttää monimutkaisempaa prosessisuunnittelua ja kiinnikkeiden suojausta.

Hybridiasennuksen suunnittelun perusteet

Onnistunut hybridikiinnityssuunnittelu edellyttää useiden seikkojen huomioon ottamista avaintekijät:

• Komponenttien asettelustrategia: THT-komponentit on sijoitettava keskelle myöhempien juotosprosessien helpottamiseksi.
• Lämmönhallinnan suunnittelu: THT-juottamisen on suojattava viereisiä SMT-komponentteja lämpövaurioilta.
• Prosessin yhteensopivuus: Valitse THT-komponentit, jotka kestävät sekundäärisen uudelleenjuoksutuksen lämpötilat.
• Kustannusten saldo: Arvioi, mitkä THT-komponentit voidaan korvata SMT-versioilla kustannusten vähentämiseksi.

Hybridilaitosten tyypilliset sovellukset

Hybridikiinnitystekniikka on erinomainen seuraavilla aloilla:

• Autoelektroniikka: moottorinohjausyksiköt (ECU), joissa yhdistyvät SMT-mikrokontrollerit ja THT-teholaitteet.
• Teollisuuslaitteet: SMT-logiikkapiirit ja THT-releet/liittimet PLC-moduuleissa.
• Lääketieteellinen elektroniikka: SMT-signaalinkäsittelypiirit, joissa on THT-korkeajännite-eristyskomponentteja
• Ilmailu- ja avaruusalaSMT-digitaalijärjestelmät, joissa on karkaistuja THT-liitäntäkomponentteja

Manuaalinen vs. mekaaninen kiinnitys Vertaileva analyysi

Yleisten THT- ja SMT-tekniikoiden lisäksi, Manuaalinen asennus ja Mekaaninen kiinnitys ovat myös tärkeitä toisiaan täydentäviä piirilevykokoonpanotapoja, joita kumpaakin voidaan soveltaa eri tuotantotilanteissa.

Manuaalinen asennustekniikka

Manuaalinen asennus on alkeellisin piirilevyjen kokoonpanomenetelmä, ja sillä on edelleen merkitystä tietyissä tilanteissa. Manuaalinen juottotekniikka voidaan jakaa kahteen luokkaan: perus manuaalinen juottaminen ja tarkkuus manuaalinen juottaminen.

Perusjuottaminen käsin käyttää tavallista juotosrautaa ja sopii:

• Prototyyppi- ja T&K-vaiheet
• Pieni erätuotanto (yleensä < 100 kpl / kuukausi)
• Suurikokoisten komponenttien kokoaminen
• Kenttäkorjaukset ja -muutokset

Tarkka käsijuottaminen vaatii mikroskoopin ja mikrohienon juotosraudan kärjen:

• 0402 ja sitä pienempien komponenttien uudelleenkäsittely
• BGA- ja QFN-koteloiden uudelleenpalauttaminen
• Ilmailu- ja avaruustuotteiden korkean luotettavuuden juottaminen
• Muotoiltujen komponenttien erikoiskäsittely

The ensisijaiset edut manuaalisen asennuksen etuja ovat joustavuus ja alhaiset kustannukset, mutta sen rajoitukset ovat myös ilmeisiä: huono johdonmukaisuus (tutkimukset ovat osoittaneet, että manuaalisten juotosliitosten virheprosentti on 3-5 kertaa suurempi kuin automaattisen juottamisen), tehottomuus (ammattitaitoiset työntekijät tekevät noin 200-300 juotosliitosta tunnissa) ja riippuvuus käyttäjän taidoista.

Mekaaninen asennustekniikka

Mekaaninen kiinnitys edustaa pitkälle automatisoitu PCB-kokoonpanon suunta, mukaan lukien pääasiassa:

• Automaattinen syöttölaite (AI): lisää THT-komponentteja suurilla nopeuksilla, jopa 45 000 komponenttia tunnissa.
• Valikoiva aaltojuottaminen: juotosalueen tarkka hallinta lämpöshokkien minimoimiseksi.
• Automaattinen optinen tarkastus (AOI): toteuttaa 100% juotosliitoksen laadun tarkastuksen
• Robottikokoonpanosolu: muotoiltujen komponenttien joustava käsittely

The keskeinen arvo mekaaninen kiinnitys on:

• Erittäin korkea tehokkuus: yksi täysin automatisoitu SMT-linja voi valmistaa tuhansia monimutkaisia piirilevyjä päivässä.
• Erinomainen johdonmukaisuus: CPK-arvot jopa 1,67 tai enemmän.
• Jäljitettävyys:Täydellinen tietojen kirjaaminen laadun analysoinnin helpottamiseksi
• Pitkän aikavälin kustannusetu:Vaikka alkuinvestoinnit ovat korkeat, kappalekohtaiset kustannukset ovat huomattavasti alhaisemmat suurilla volyymeillä.

Miten valita oikea PCB-kokoonpanotekniikka

Seuraavat Keskeiset tekijät olisi otettava huomioon, kun valitaan manuaalisen tai mekaanisen asennuksen välillä:

Päätelmä

Piirilevyjen kokoonpanotekniikka, joka on elektroniikkavalmistuksen keskeinen lenkki, on kehittynyt puhtaasta tuotantoprosessista kattavaksi teknologiajärjestelmäksi, jossa yhdistyvät materiaalitiede, tarkkuuskoneet, termodynamiikka ja älykkäät algoritmit. Analysoimalla perusteellisesti valtavirtatekniikoita, kuten THT-, SMT- ja hybridiasennustekniikoita, voimme nähdä elektroniikan valmistustekniikan kehityskulun ja tulevaisuuden suunnan.

Teknologian integroinnista tulee tulevaisuuden kehityksen pääteema, ja perinteiset rajat hämärtyvät vähitellen.Esimerkiksi uudessa "puoliksi reiän läpi" -tekniikassa yhdistyvät THT:n luotettavuus ja SMT:n tiheät edut; 3D-tulostuselektroniikkatekniikka voi mullistaa nykyisen kokoonpanomallin. Prismarkin ennusteen mukaan vuoteen 2028 mennessä SMT:n osuus maailmanlaajuisista piirilevykokoonpanomarkkinoista on 85 prosenttia, mutta THT:n osuus säilyy 10-15 prosentissa tietyillä alueilla, ja hybridikiinnitystekniikat jatkavat kasvuaan monimutkaisissa teollisuustuotteissa.

Kestävä kehitys Paineet teknologiainnovaatioiden edistämiseksi.

• Halogeenittomat lyijyttömät kokoonpanoprosessit
• Matalalämpötilaiset, energiatehokkaat tuotantotekniikat
• Kierrätettävät suunnitteluratkaisut
• Biohajoavat elektroniset materiaalit

Seuraavien viiden vuoden aikana vihreästä kokoonpanotekniikasta tulee todennäköisesti markkinoille pääsyn perusedellytys.