Technologie d'assemblage des circuits imprimés

Aperçu de la technologie d'assemblage des circuits imprimés

L'assemblage de circuits imprimés (PCB) est le processus de montage de composants électroniques sur un PCB et la formation d'une connexion électrique, qui est le lien central dans la fabrication de produits électroniques modernes. Avec le développement des produits électroniques dans le sens de la miniaturisation et de la haute performance, la technologie d'assemblage des circuits imprimés évolue également. Actuellement, la technologie d'assemblage des PCB comprend principalement la technologie de montage par trou traversant (THT), la technologie de montage en surface (SMT), la technologie de montage hybride, ainsi que l'installation manuelle et mécanique, et d'autres formes.

L'assemblage de circuits imprimés n'est pas seulement un simple composant fixé sur le substrat, mais aussi un processus complexe faisant intervenir la science des matériaux, les machines de précision, la thermodynamique et l'électronique, ainsi que d'autres processus interdisciplinaires.Le choix de la technologie d'assemblage appropriée a une incidence directe sur la fiabilité du produit, les coûts de production et la compétitivité du marché.Selon les statistiques, la taille du marché mondial de l'assemblage de PCB en 2023 a atteint environ 80 milliards de dollars américains, et devrait atteindre 120 milliards de dollars américains d'ici 2028, avec un taux de croissance annuel composé d'environ 6,5 %.

Technologie des trous de passage (THT)

Technologie de montage par trou traversant (THT) est l'une des premières méthodes d'assemblage de circuits imprimés et joue encore un rôle important dans certains domaines. Le principe de base de la technologie THT consiste à insérer les broches des composants dans des trous de passage pré-percés sur le circuit imprimé, puis à les souder sur l'autre face du circuit imprimé.

Caractéristiques de la technologie THT

La technologie THT présente plusieurs caractéristiques notables : tout d'abord, elle forme une connexion mécanique très solide qui peut résister à des contraintes physiques et thermiques importantes, ce qui rend le THT particulièrement adapté aux scénarios d'application qui exigent une grande fiabilité, tels que l'aérospatiale, l'équipement militaire et les systèmes de contrôle industriel.D'autre part, les composants THT ont généralement un grand espacement entre les broches, ce qui facilite les opérations manuelles et la maintenance. Selon les normes IPC, les composants THT courants ont un pas de 2,54 mm (0,1 pouce), tandis que certains composants haute puissance peuvent avoir un pas de 5,08 mm ou plus.

Déroulement du processus THT

Un processus THT typique comprend les étapes suivantes :

1. Insertion de composants: Aligner manuellement ou automatiquement les broches des composants avec les trous de passage du circuit imprimé et les insérer.
2. Pliage des goupilles: Pour éviter que le composant ne tombe, les broches sont généralement légèrement pliées vers l'extérieur.
3. Soudure à la vague: Le circuit imprimé passe dans une machine à souder à la vague, la soudure en fusion entre en contact avec toutes les broches par le bas pour former un joint de soudure.
4. Coupe des goupilles: Utilisez un outil spécial pour couper les goupilles trop longues.
5. Nettoyage et inspection: Les résidus de flux sont éliminés et un contrôle optique visuel ou automatisé est effectué.

Avantages et limites de la technologie THT

Les principaux avantage de la technologie THT est son excellente résistance mécanique et sa fiabilité. Selon des données de recherche, le taux de défaillance des joints brasés THT dans des environnements vibrants est inférieur d'environ 30 à 40 % à celui des joints brasés SMT. En outre, la technologie THT présente moins de restrictions quant à la taille des composants et convient aux composants à haute puissance et à haute tension tels que les condensateurs électrolytiques, les transformateurs et les résistances à haute puissance.

Cependant, la technologie THT présente également des avantages évidents limitationsL'efficacité de production est plus faible, la vitesse des machines modernes d'insertion THT à grande vitesse est d'environ 20 000 à 30 000 composants par heure, ce qui est bien inférieur à celle des machines d'insertion SMT ; les circuits imprimés doivent être percés d'un grand nombre de trous de passage, ce qui augmente le coût de production des circuits ; il est impossible de réaliser un assemblage à haute densité, ce qui limite le développement de la miniaturisation des produits électroniques.

Scénarios d'application de la THT

Bien que la technologie SMT soit devenue courante, le THT conserve une position importante dans les domaines suivants :

• Équipements électroniques militaires et aérospatiaux présentant des exigences élevées en matière de fiabilité
• Alimentations de haute puissance et électronique de puissance
• Assemblages de connecteurs nécessitant des branchements et débranchements fréquents
• Expérimentation pédagogique et prototypage
• Équipements électroniques utilisés dans des environnements spéciaux (par exemple, des environnements à haute température ou à forte humidité)

Technologie de montage en surface (SMT)

Technologie de montage en surface (La technologie SMT permet de monter directement les composants sur des pastilles à la surface du circuit imprimé et de réaliser des connexions électriques et mécaniques par le biais du processus de refusion.

La révolution technologique du SMT

L'émergence de la technologie SMT a entraîné trois révolutions majeures** dans l'industrie de la fabrication électronique : tout d'abord, la révolution de la taille, la taille des composants SMT peut être 60-70% plus petite que celle des composants THT, de sorte que les téléphones portables, les montres intelligentes et autres appareils ultra-portables deviennent possibles ; ensuite, la révolution de l'efficacité, les lignes de production SMT modernes peuvent monter plus de 100 000 composants par heure ; et enfin, la révolution des coûts, le SMT réduit le processus de perçage des circuits imprimés, réduisant la consommation de matériaux. consommation de matériaux.

Étapes clés du processus SMT

1. Impression de la pâte à braser: Les pochoirs en acier inoxydable sont utilisés pour imprimer avec précision la pâte à braser sur les plaquettes de circuits imprimés. La pâte à braser est un mélange de minuscules particules de soudure (généralement un alliage Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) et de flux, dont la viscosité et la teneur en métal doivent être strictement contrôlées. Des études ont montré que la qualité de l'impression de la pâte à braser affecte directement environ 70 % des défauts de soudure SMT.
2. Placement des composants: Le montage à grande vitesse par la buse à vide permettra aux composants CMS de se placer avec précision sur la pâte à braser. La précision de positionnement des machines de placement modernes peut atteindre ±25μm, et la vitesse maximale dépasse 150 000 composants par heure. Les composants de taille 0201 (0,6 mm × 0,3 mm) ou même plus petits sont devenus courants.
3. Soudure par refusionLes circuits imprimés traversent le four de refusion en passant par quatre zones de température : préchauffage, mouillage, refusion et refroidissement.La température de pointe typique de la soudure sans plomb est d'environ 240-250 ℃, le temps de contrôle est de 60-90 secondes.Le contrôle précis du profil de température est essentiel pour éviter les défauts tels que l'effet "pierre tombale" et les "boules de soudure".

Avantages de la technologie SMT

Le noyau avantages de la technologie SMT se reflètent dans :

• Intégration à haute densité: Les boîtiers BGA et CSP avec un pas de 0,4 mm et moins peuvent être réalisés.
• **Excellentes caractéristiques haute fréquence ** :Composants SMD avec de faibles paramètres parasites, adaptés aux circuits à haute fréquence
• Haut degré d'automatisationLa production entièrement automatisée peut être réalisée de l'impression à l'essai.
• Possibilité d'assemblage double faceUtilisation complète de l'espace du circuit imprimé, augmentation de la densité d'assemblage

Les défis auxquels sont confrontés les SMT

Malgré ses avantages évidents, la technologie SMT est confrontée à certains problèmes. défis:

• La miniaturisation accroît les difficultés de détection. La détection d'un composant de 01005 (0,4 mm x 0,2 mm) nécessite un équipement SPI 3D.
• Les températures plus élevées de la soudure sans plomb imposent des exigences plus élevées aux composants et aux matériaux des circuits imprimés.
• Problèmes de fiabilité du brasage à pas ultrafin, tels que les fissures dans les joints de soudure, les fausses soudures, etc.
• Le retravail est difficile, en particulier pour les composants BGA remplis par le bas.

Tendances de la technologie SMT

La technologie SMT continue d'évoluer et les principaux axes de développement sont les suivants :

• Technologie du pas ultrafinLe système est conçu pour s'adapter aux boîtiers CSP et POP avec un pas de 0,3 mm ou moins.
• Technologie SMT 3DIntégration tridimensionnelle grâce à l'empilage
• Procédé SMT à basse températureLa technologie de l'eau : adaptation aux substrats flexibles et aux composants sensibles à la chaleur
• Ligne SMT intelligente: combiner les technologies de l'IA et de l'IoT pour la maintenance prédictive et le contrôle de la qualité.

Analyse complète de la technologie de montage hybride

Technologie de montage hybride est une combinaison organique des technologies THT et SMT, largement utilisée dans les produits électroniques complexes modernes. Selon les statistiques, environ 35 % des cartes de contrôle industrielles et 20 % des cartes électroniques automobiles utilisent la technologie de montage hybride.

La nécessité d'un montage hybride

Les raison fondamentale La diversification des fonctions des produits électroniques est à l'origine de la naissance de la technologie de montage hybride. Prenons l'exemple d'un contrôleur industriel typique : il nécessite à la fois la technologie SMT pour réaliser des circuits numériques à haute densité et la technologie THT pour installer des relais à haute puissance et des connecteurs robustes. Les cas d'utilisation mixtes dans les appareils médicaux montrent que la partie SMT occupe 70 à 80 % de la surface de la carte, mais que la partie THT prend en charge les fonctions critiques d'interface de signal et de gestion de l'énergie.

Séquence du processus de montage mixte

Les déroulement du processus pour le montage mixte est essentielle à la qualité du produit fini, et il existe deux voies communes :

• Route prioritaire SMT:

• Impression complète des faces SMT, placement et refusion
• Flip PCB pour l'insertion de composants THT
• Soudure à la vague de la surface THT (nécessité de protéger les composants SMT qui ont été soudés)
• Brasage manuel de composants CMS ne supportant pas le brasage à la vague

• Route prioritaire THT:

• Insérez d'abord les composants THT, mais ne les soudez pas encore.
• Effectuer l'impression, le placement et la refusion des faces SMT.
• Soudure à la vague sélective ou soudure manuelle à la fin.

Des études ont montré que le rendement combiné de la première voie SMT est supérieur d'environ 5 à 8 % à celui de la première voie THT, mais qu'il nécessite une conception de processus et une protection des montages plus complexes.

Essentiels de la conception des montures hybrides

Pour réussir la conception d'une monture hybride, il faut tenir compte de plusieurs éléments facteurs clés:

• Stratégie d'agencement des composants: Les composants THT doivent être placés au centre pour faciliter les processus de soudure ultérieurs.
• Conception de la gestion thermique: Le brasage THT doit protéger les composants SMT voisins des dommages thermiques.
• Compatibilité des processus: Sélectionner des composants THT capables de résister aux températures de refusion secondaires
• Solde du coût: Évaluer quels composants THT peuvent être remplacés par des versions SMT afin de réduire les coûts.

Applications typiques des installations hybrides

La technologie de montage hybride excelle dans les domaines suivants :

• Électronique automobileUnités de contrôle du moteur (ECU) combinant des microcontrôleurs SMT et des dispositifs de puissance THT
• Équipements industriels: Circuits logiques SMT et relais/connecteurs THT dans les modules PLC
• Électronique médicale: Circuits de traitement des signaux SMT avec composants d'isolation haute tension THT
• AérospatialeSystèmes numériques SMT avec composants d'interface THT durcis

Analyse comparative entre le montage manuel et le montage mécanique

En plus des technologies THT et SMT courantes, Montage manuel circuits intégrés à nombre de broches élevé (ouverture minimale):Conception2. Montage mécanique sont également d'importants moyens complémentaires d'assemblage de circuits imprimés, chacun étant applicable à différents scénarios de production.

Technique de montage manuel

Le montage manuel est la méthode d'assemblage de circuits imprimés la plus primitive, et joue encore un rôle dans certaines occasions. La technologie de brasage manuel peut être divisée en deux catégories : soudure manuelle de base circuits intégrés à nombre de broches élevé (ouverture minimale):Conception2. brasage manuel de précision.

Soudure manuelle de base utilise un fer à souder ordinaire et convient pour :

• Étapes de prototypage et de recherche et développement
• Production en petites séries (généralement 100 pièces/mois)
• Assemblage de composants de grande taille
• Réparations et modifications sur le terrain

Soudure manuelle de précision nécessite un microscope et une pointe de fer à souder microfine :

• Reprise des composants de taille 0402 et inférieure
• Reballage des boîtiers BGA et QFN
• Brasage haute fiabilité de produits de qualité aérospatiale
• Manipulation spécialisée de composants façonnés

Les principaux avantages de l'enrobage manuel sont la flexibilité et le faible coût. limitations sont également évidentes : manque de cohérence (des études ont montré que le taux de défauts des soudures manuelles est 3 à 5 fois plus élevé que celui des soudures automatisées), inefficacité (des ouvriers qualifiés réalisent environ 200 à 300 soudures par heure) et dépendance vis-à-vis de la compétence de l'opérateur.

Technologie de montage mécanique

Le montage mécanique représente la hautement automatisé de l'assemblage des circuits imprimés, comprenant principalement

• Inséreur automatique (AI) : insertion de composants THT à des vitesses élevées, jusqu'à 45 000 composants par heure
• Brasage sélectif à la vagueContrôle précis de la zone de brasage pour minimiser les chocs thermiques
• Inspection optique automatique (AOI) : réalise une inspection de la qualité des joints de soudure à 100%.
• Cellule d'assemblage robotiséeManipulation flexible de composants façonnés

Les valeur fondamentale du montage mécanique réside dans :

• Très grande efficacité : une ligne SMT entièrement automatisée peut produire des milliers de circuits imprimés complexes par jour.
• Excellente consistance : Valeurs CPK jusqu'à 1,67 ou plus
• Traçabilité :Enregistrement complet des données pour une analyse facile de la qualité
• Avantage financier à long terme :Bien que l'investissement initial soit élevé, le coût par pièce est nettement inférieur lorsque les volumes sont importants.

Comment choisir la bonne technique d'assemblage de circuits imprimés ?

Les éléments suivants Facteurs clés doivent être prises en compte lors du choix entre une installation manuelle ou mécanique :

Conclusion

La technologie d'assemblage des circuits imprimés, qui constitue le maillon central de la fabrication électronique, est passée d'un simple processus de production à un système technologique complet intégrant la science des matériaux, les machines de précision, la thermodynamique et les algorithmes intelligents. Grâce à une analyse approfondie des principales technologies telles que le THT, le SMT et le montage hybride, nous pouvons voir la trajectoire de développement et l'orientation future de la technologie de fabrication électronique.

L'intégration technologique deviendra le thème principal du développement futur, et les frontières traditionnelles s'estomperont progressivement.Par exemple, la nouvelle technologie "half-through-hole" combine la fiabilité du THT et les avantages de la haute densité du SMT ; la technologie électronique de l'impression 3D pourrait révolutionner le modèle d'assemblage existant. Selon les prévisions de Prismark, d'ici 2028, le SMT représentera 85 % du marché mondial de l'assemblage des PCB, mais le THT conservera une part de 10 à 15 % dans des domaines spécifiques, et les technologies de montage hybrides continueront à se développer dans les produits industriels complexes.

Durabilité Pression pour stimuler l'innovation technologique.

• Procédés d'assemblage sans halogène et sans plomb
• Technologies de production à basse température et à haut rendement énergétique
• Solutions de conception recyclables
• Matériaux électroniques biodégradables

Au cours des cinq prochaines années, les technologies d'assemblage écologiques deviendront probablement une exigence de base pour l'accès au marché.