Tecnologia di assemblaggio dei PCB

Panoramica della tecnologia di assemblaggio dei PCB

L'assemblaggio dei circuiti stampati (PCB) è il processo di montaggio dei componenti elettronici su un PCB e la formazione di una connessione elettrica, che rappresenta l'anello centrale nella produzione dei moderni prodotti elettronici. Con lo sviluppo dei prodotti elettronici nella direzione della miniaturizzazione e delle alte prestazioni, anche la tecnologia di assemblaggio dei PCB si sta evolvendo. Attualmente, le principali tecnologie di assemblaggio dei PCB comprendono principalmente la tecnologia di montaggio a foro passante (THT), la tecnologia di montaggio superficiale (SMT), la tecnologia di montaggio ibrida, nonché l'installazione manuale e meccanica e altre forme.

L'assemblaggio dei PCB non è solo un semplice componente fissato sul substrato, ma anche un processo complesso che coinvolge la scienza dei materiali, i macchinari di precisione, la termodinamica e l'elettronica e altri processi interdisciplinari. La scelta di una tecnologia di assemblaggio appropriata influisce direttamente sull'affidabilità del prodotto, sui costi di produzione e sulla competitività del mercato. Secondo le statistiche, la dimensione del mercato globale dell'assemblaggio dei PCB nel 2023 ha raggiunto circa 80 miliardi di dollari e si prevede che crescerà fino a 120 miliardi di dollari entro il 2028, con un tasso di crescita annuale composto di circa 6,5%.

Tecnologia a fori passanti (THT)

Tecnologia di montaggio con foro passante (THT) è uno dei primi metodi di assemblaggio dei PCB e svolge ancora un ruolo importante in settori specifici. Il principio di base della tecnologia THT consiste nell'inserire i pin dei componenti in fori passanti preforati sul PCB, per poi saldarli in posizione sull'altro lato del PCB.

Caratteristiche della tecnologia THT

La tecnologia THT presenta diverse caratteristiche degne di nota: in primo luogo, forma una connessione meccanica molto robusta, in grado di resistere a forti sollecitazioni fisiche e termiche, il che rende il THT particolarmente adatto a scenari applicativi che richiedono un'elevata affidabilità, come nel settore aerospaziale, nelle apparecchiature militari e nei sistemi di controllo industriali. In secondo luogo, i componenti THT hanno solitamente un'ampia spaziatura tra i pin, che facilita il funzionamento e la manutenzione manuale. Secondo gli standard IPC, i componenti THT comuni hanno un passo dei pin di 2,54 mm (0,1 pollici), mentre alcuni componenti ad alta potenza possono avere un passo di 5,08 mm o più.

Flusso di processo THT

Un tipico flusso di processo THT consiste nelle seguenti fasi:

1. Inserimento dei componenti: Allineare manualmente o automaticamente i pin dei componenti con i fori di passaggio del PCB e inserirli.
2. Piegatura dei perni: Per evitare che il componente cada, i perni vengono solitamente piegati leggermente verso l'esterno.
3. Saldatura a onda: Il PCB passa attraverso una saldatrice a onda, la saldatura fusa entra in contatto con tutti i pin dal basso per formare un giunto di saldatura.
4. Rifinitura del perno: Utilizzare uno strumento speciale per tagliare i perni troppo lunghi.
5. Pulizia e ispezione: I residui di flusso vengono rimossi e viene eseguita un'ispezione ottica visiva o automatizzata.

Vantaggi e limiti della tecnologia THT

Il principale vantaggio della tecnologia THT è la sua eccellente resistenza meccanica e affidabilità. Secondo i dati della ricerca, il tasso di guasto dei giunti di saldatura THT in ambienti soggetti a vibrazioni è di circa 30-40% inferiore a quello dei giunti di saldatura SMT. Inoltre, la tecnologia THT ha meno restrizioni sulle dimensioni dei componenti ed è adatta a componenti ad alta potenza e alta tensione, come condensatori elettrolitici, trasformatori e resistenze ad alta potenza.

Tuttavia, la tecnologia THT presenta anche evidenti limitazioni: efficienza produttiva inferiore, la velocità della moderna macchina ad alta velocità THT plug-in di circa 20.000-30.000 componenti all'ora, molto inferiore a quella del SMT mounter; il PCB deve praticare un gran numero di fori passanti, aumentando il costo di produzione della scheda; non può raggiungere l'assemblaggio ad alta densità, limitando lo sviluppo della miniaturizzazione dei prodotti elettronici.

Scenari di applicazione THT

Sebbene la tecnologia SMT sia diventata mainstream, il THT mantiene ancora una posizione importante nei seguenti campi:

• Apparecchiature elettroniche militari e aerospaziali con requisiti di alta affidabilità
• Alimentatori ad alta potenza ed elettronica di potenza
• Gruppi di connettori che richiedono di essere collegati e scollegati frequentemente
• Sperimentazione didattica e prototipazione
• Apparecchiature elettroniche utilizzate in ambienti speciali (ad esempio, ambienti ad alta temperatura e umidità).

Tecnologia di montaggio in superficie (SMT)

Tecnologia di montaggio in superficie (La tecnologia SMT monta direttamente i componenti sulle piazzole della superficie del PCB e realizza le connessioni elettriche e meccaniche attraverso il processo di rifusione.

Rivoluzione della tecnologia SMT

L'emergere della tecnologia SMT ha portato a tre grandi rivoluzioni** nell'industria della produzione elettronica: in primo luogo, la rivoluzione delle dimensioni, le dimensioni dei componenti SMT possono essere 60-70% più piccole rispetto ai componenti THT, in modo da rendere possibili telefoni cellulari, orologi intelligenti e altri dispositivi ultraportatili; in secondo luogo, la rivoluzione dell'efficienza, le moderne linee di produzione SMT possono montare più di 100.000 componenti all'ora; infine, la rivoluzione dei costi, SMT riduce il processo di perforazione dei PCB, riducendo il consumo di materiale. consumo di materiale.

Fasi chiave del processo SMT

1. Stampa della pasta saldante: Gli stencil in acciaio inossidabile sono utilizzati per stampare con precisione la pasta saldante sulle piazzole dei circuiti stampati. La pasta saldante è una miscela di minuscole particelle di saldatura (solitamente in lega Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5) e flusso, la cui viscosità e il cui contenuto di metallo devono essere rigorosamente controllati. Gli studi hanno dimostrato che la qualità della stampa della pasta saldante influisce direttamente su circa 70% dei difetti di saldatura SMT.
2. Posizionamento dei componenti: La montaggitrice ad alta velocità attraverso l'ugello a vuoto posiziona con precisione i componenti SMD sulla pasta saldante. La precisione di posizionamento delle moderne macchine di posizionamento può raggiungere ±25μm e la velocità massima supera i 150.000 componenti all'ora. I componenti di dimensioni 0201 (0,6 mm × 0,3 mm) o addirittura inferiori sono diventati di uso comune.
3. Saldatura a riflusso: I PCB passano attraverso il forno a riflusso attraverso quattro zone di temperatura: preriscaldamento, bagnatura, riflusso e raffreddamento. La temperatura di picco tipica della saldatura senza piombo è di circa 240-250 ℃, il tempo di controllo è di 60-90 secondi. Il controllo preciso del profilo di temperatura è essenziale per evitare difetti come l'effetto "pietra tombale" e le "sfere di saldatura".

Vantaggi della tecnologia SMT

Il nucleo vantaggi della tecnologia SMT si riflettono in:

• Integrazione ad alta densità: È possibile realizzare pacchetti BGA e CSP con un passo di 0,4 mm e inferiore.
• **Eccellenti caratteristiche ad alta frequenza **: Componenti SMD con piccoli parametri parassiti, adatti per circuiti ad alta frequenza.
• Alto grado di automazione: è possibile realizzare una produzione completamente automatizzata, dalla stampa al collaudo.
• Capacità di assemblaggio su due lati: pieno utilizzo dello spazio del PCB, aumento della densità di assemblaggio

Sfide per SMT

Nonostante gli evidenti vantaggi, la tecnologia SMT deve fare i conti con alcune sfide:

• La miniaturizzazione comporta una maggiore difficoltà di rilevamento. Il rilevamento di un componente 01005 (0,4 mm x 0,2 mm) richiede un'apparecchiatura SPI 3D.
• Le temperature più elevate della saldatura senza piombo impongono requisiti più elevati ai componenti e ai materiali dei PCB
• Problemi di affidabilità della saldatura a passo ultrafine, come giunti di saldatura incrinati, false saldature, ecc.
• La rilavorazione è difficile, soprattutto per i componenti BGA con riempimento inferiore.

Tendenze della tecnologia SMT

La tecnologia SMT continua ad evolversi e le principali direzioni di sviluppo includono:

• Tecnologia a passo ultrafine: per far fronte a pacchetti CSP e POP con un passo di 0,3 mm o inferiore.
• Tecnologia SMT 3D: integrazione tridimensionale attraverso lo stacking
• Processo SMT a bassa temperatura: adattamento a substrati flessibili e componenti termosensibili
• Linea SMT intelligente: combinare le tecnologie AI e IoT per la manutenzione predittiva e il controllo qualità

Tecnologia di montaggio ibrida completamente analizzata

Tecnologia di montaggio ibrida è una combinazione organica di tecnologia THT e SMT, ampiamente utilizzata nei moderni prodotti elettronici complessi. Secondo le statistiche, circa 35% di schede di controllo industriali e 20% di schede elettroniche automobilistiche utilizzano la tecnologia di montaggio ibrida.

La necessità di un montaggio ibrido

Il ragione fondamentale per la nascita della tecnologia di montaggio ibrida risiede nella diversificazione delle funzioni dei prodotti elettronici. Prendiamo ad esempio un tipico controllore industriale, che richiede sia la tecnologia SMT per realizzare circuiti digitali ad alta densità, sia la tecnologia THT per installare relè ad alta potenza e connettori robusti. I casi d'uso misti nei dispositivi medici mostrano che la parte SMT occupa il 70-80% dell'area della scheda, ma la parte THT si occupa delle funzioni critiche di interfaccia dei segnali e di gestione dell'alimentazione.

Sequenza del processo di montaggio misto

Il sequenza di processo per il montaggio misto è fondamentale per la qualità del prodotto finito, e ci sono due percorsi comuni:

• Percorso prioritario SMT:

• Stampa, posizionamento e riflusso completi di facce SMT
• Flip PCB per l'inserimento dei componenti THT
• Saldatura ad onda su superficie THT (necessità di proteggere i componenti SMT saldati)
• Saldatura manuale di componenti SMT che non possono sopportare la saldatura a onda

• Percorso prioritario THT:

• Inserire prima i componenti THT, ma non saldarli ancora.
• Eseguire la stampa, il posizionamento e il riflusso di facce SMT.
• Saldatura a onda selettiva o saldatura manuale alla fine.

Gli studi hanno dimostrato che la resa combinata del percorso SMT-primo è superiore di circa 5-8% rispetto al percorso THT-primo, ma richiede una progettazione del processo e una protezione dei dispositivi più complessa.

Elementi essenziali del progetto di montaggio ibrido

Un progetto di montaggio ibrido di successo richiede la considerazione di diversi fattori fattori chiave:

• Strategia di layout dei componenti: I componenti THT devono essere collocati in posizione centrale per facilitare i successivi processi di saldatura.
• Progettazione della gestione termica: La saldatura THT deve proteggere i componenti SMT vicini dai danni termici.
• Compatibilità del processo: Selezionare componenti THT in grado di resistere alle temperature di rifusione secondarie.
• Saldo dei costi: Valutare quali componenti THT possono essere sostituiti con versioni SMT per ridurre i costi.

Applicazioni tipiche per le installazioni ibride

La tecnologia di montaggio ibrida eccelle nelle seguenti aree:

• Elettronica per autoveicoli: unità di controllo motore (ECU) che combinano microcontrollori SMT e dispositivi di potenza THT
• Attrezzature industriali: Circuiti logici SMT e relè/connettori THT nei moduli PLC
• Elettronica Medicale: Circuiti di elaborazione del segnale SMT con componenti di isolamento ad alta tensione THT
• aerospaziale: Sistemi digitali SMT con componenti di interfaccia THT induriti

Analisi comparativa tra montaggio manuale e meccanico

Oltre alle tecnologie THT e SMT tradizionali, Montaggio manuale nonché Montaggio meccanico sono anche importanti mezzi complementari per l'assemblaggio di PCB, ciascuno applicabile a diversi scenari di produzione.

Tecnologia di montaggio manuale

Il montaggio manuale è il metodo di assemblaggio dei PCB più primitivo e svolge ancora un ruolo in occasioni specifiche. La tecnologia di saldatura manuale può essere suddivisa in due categorie: saldatura manuale di base nonché saldatura manuale di precisione.

Saldatura manuale di base utilizza un comune saldatore ed è adatto per:

• Fasi di prototipazione e R&S
• Produzione di piccoli lotti (di solito <100pz/mese)
• Assemblaggio di componenti di grandi dimensioni
• Riparazioni e modifiche sul campo

Saldatura manuale di precisione richiede un microscopio e una punta di saldatore microfine:

• Rilavorazione di componenti di dimensioni 0402 e inferiori
• Reballing di pacchetti BGA e QFN
• Saldatura ad alta affidabilità di prodotti di livello aerospaziale
• Gestione specializzata di componenti sagomati

Il vantaggi primari Il montaggio manuale è caratterizzato dalla flessibilità e dal basso costo, ma la sua limitazioni sono evidenti: scarsa consistenza (gli studi hanno dimostrato che il tasso di difetti delle saldature manuali è da 3 a 5 volte superiore a quello delle saldature automatiche), inefficienza (gli operai specializzati completano circa 200-300 saldature all'ora) e dipendenza dall'abilità dell'operatore.

Tecnologia di montaggio meccanico

Il montaggio meccanico rappresenta il altamente automatizzato direzione dell'assemblaggio di PCB, che comprende principalmente:

• Inseritore automatico (AI): inserisce componenti THT ad alta velocità fino a 45.000 componenti all'ora
• Saldatura a onda selettivaControllo preciso dell'area di saldatura per ridurre al minimo lo shock termico.
• Ispezione ottica automatica (AOI): realizza l'ispezione della qualità dei giunti a saldare 100%
• Cella di assemblaggio robotizzata: gestione flessibile di componenti sagomati

Il valore fondamentale del montaggio meccanico:

• Altissima efficienza: una linea SMT completamente automatizzata può produrre migliaia di PCB complessi al giorno
• Eccellente consistenza: Valori CPK fino a 1,67 o superiori
• Tracciabilità: Registrazione completa dei dati per una facile analisi della qualità
• Vantaggio di costo a lungo termine: Sebbene l'investimento iniziale sia elevato, il costo per pezzo è significativamente più basso con volumi elevati.

Come scegliere la giusta tecnica di assemblaggio dei PCB

Il seguente Fattori chiave Quando si sceglie tra l'installazione manuale e quella meccanica, è necessario tenere conto di questi aspetti:

conclusioni

La tecnologia di assemblaggio dei circuiti stampati, in quanto anello centrale della produzione elettronica, si è trasformata da un puro processo di produzione a un sistema tecnologico completo che integra scienza dei materiali, macchinari di precisione, termodinamica e algoritmi intelligenti. Attraverso un'analisi approfondita delle tecnologie principali, come THT, SMT e montaggio ibrido, possiamo vedere la traiettoria di sviluppo e la direzione futura della tecnologia di produzione elettronica.

L'integrazione tecnologica diventerà il tema principale dello sviluppo futuro, i confini tradizionali si confonderanno gradualmente. Ad esempio, la nuova tecnologia "half-through-hole" combina l'affidabilità del THT e i vantaggi ad alta densità dell'SMT; la tecnologia elettronica di stampa 3D potrebbe rivoluzionare l'attuale modello di assemblaggio. Secondo le previsioni di Prismark, entro il 2028, l'SMT rappresenterà 85% del mercato globale dell'assemblaggio di PCB, ma il THT manterrà una quota di 10-15% in aree specifiche e le tecnologie di montaggio ibride continueranno a crescere nei prodotti industriali complessi.

Sostenibilità Pressione per guidare l'innovazione tecnologica.

• Processi di assemblaggio senza alogeni e senza piombo
• Tecnologie di produzione a bassa temperatura ed efficienza energetica
• Soluzioni di design riciclabili
• Materiali elettronici biodegradabili

Nei prossimi cinque anni, le tecnologie di assemblaggio verdi diventeranno probabilmente un requisito fondamentale per l'accesso al mercato.