PCB-assemblagetechnologie

Overzicht PCB-assemblagetechnologie

Printplaatassemblage (PCB) is het proces waarbij elektronische componenten op een printplaat worden gemonteerd en een elektrische verbinding wordt gevormd, wat de kernverbinding is bij de productie van moderne elektronische producten. Met de ontwikkeling van elektronische producten in de richting van miniaturisatie en hoge prestaties, evolueert ook de printplaatassemblagetechnologie. Momenteel omvat de mainstream printplaatassemblagetechnologie voornamelijk technologie voor montage door middel van gaten (THT), oppervlaktemontagetechnologie (SMT), hybride montagetechnologie, evenals handmatige en mechanische installatie en andere vormen.

Printplaatassemblage is niet alleen een eenvoudige component die op het substraat wordt bevestigd, maar ook een complex proces waarbij materiaalkunde, precisiemachines, thermodynamica en elektronica en andere interdisciplinaire processen betrokken zijn.De keuze van de juiste assemblagetechnologie heeft een directe invloed op de betrouwbaarheid van het product, de productiekosten en het concurrentievermogen van de markt.Volgens statistieken heeft de wereldwijde PCB-assemblagemarkt in 2023 een omvang bereikt van ongeveer 80 miljard dollar en zal deze naar verwachting groeien tot 120 miljard dollar in 2028, met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van ongeveer 6,5%.

Technologie voor doorvoeropeningen (THT)

Technologie voor montage door het gat (THT) is een van de vroegste printplaatassemblagemethoden en speelt nog steeds een belangrijke rol op specifieke gebieden. Het basisprincipe van de THT-technologie is om de pennen van componenten in voorgeboorde doorvoergaten op de printplaat te steken en ze dan op hun plaats te solderen aan de andere kant van de printplaat.

Kenmerken THT Technologie

THT-technologie heeft een aantal opmerkelijke eigenschappen: ten eerste vormt het een zeer sterke mechanische verbinding die bestand is tegen grote fysieke en thermische spanningen, waardoor THT bijzonder geschikt is voor toepassingsscenario's die een hoge betrouwbaarheid vereisen, zoals ruimtevaart, militaire apparatuur en industriële regelsystemen.Ten tweede hebben THT-componenten meestal een grote pinafstand, wat handmatige bediening en onderhoud vergemakkelijkt. Volgens de IPC-normen hebben gewone THT-componenten een pinafstand van 2,54 mm (0,1 inch), terwijl sommige componenten met hoog vermogen een pinafstand van 5,08 mm of meer kunnen hebben.

THT-processtroom

Een typische THT-processtroom bestaat uit de volgende stappen:

1. Component invoegen: De pinnen van de componenten handmatig of automatisch uitlijnen met de via-gaten van de printplaat en ze plaatsen
2. Pen buigen: Om te voorkomen dat het onderdeel eruit valt, worden de pinnen meestal iets naar buiten gebogen
3. Golfsolderen: PCB gaat door een golfsoldeermachine, gesmolten soldeer komt vanaf de onderkant in contact met alle pinnen om een soldeerverbinding te vormen.
4. Pinnen trimmen: Gebruik een speciaal gereedschap om te lange pennen af te snijden.
5. Reiniging en inspectie: Fluxresten worden verwijderd en er wordt een visuele of geautomatiseerde optische inspectie uitgevoerd.

Voordelen en beperkingen van THT-technologie

De belangrijkste voordeel van de THT-technologie is zijn uitstekende mechanische sterkte en betrouwbaarheid. Volgens onderzoeksgegevens is het uitvalpercentage van THT-soldeerverbindingen in trillingsomgevingen ongeveer 30-40% lager dan dat van SMT-soldeerverbindingen. Bovendien kent de THT-technologie minder beperkingen voor de componentgrootte en is deze geschikt voor componenten met een hoog vermogen en een hoge spanning, zoals elektrolytische condensatoren, transformatoren en krachtige weerstanden.

De THT-technologie heeft echter ook duidelijke beperkingen: lagere productie-efficiëntie, moderne high-speed THT plug-in machine snelheid van ongeveer 20.000-30.000 componenten per uur, veel lager dan de SMT mounter; PCB moet boren een groot aantal door-gaten, het verhogen van de kosten van printplaat productie; kan niet bereiken high-density assemblage, het beperken van de ontwikkeling van miniaturisatie van elektronische producten.

THT-toepassingsscenario's

Hoewel SMT-technologie mainstream is geworden, behoudt THT nog steeds een belangrijke positie op de volgende gebieden:

• Militaire en luchtvaart elektronische apparatuur met hoge betrouwbaarheidseisen
• Krachtige voedingen en vermogenselektronica
• Connectorsamenstellingen die vaak moeten worden aangesloten en losgekoppeld
• Onderwijsexperimenten en prototyping
• Elektronische apparatuur die in speciale omgevingen wordt gebruikt (bijv. omgevingen met hoge temperaturen en hoge vochtigheid)

Technologie voor oppervlaktemontage (SMT)

Technologie voor oppervlaktemontage (SMT) is tegenwoordig de belangrijkste technologie voor printplaatassemblage en heeft een revolutie teweeggebracht in de elektronicaproductie. SMT-technologie monteert componenten direct op pads op het oppervlak van de printplaat en realiseert elektrische en mechanische verbindingen via het reflowproces.

Revolutie in SMT-technologie

De opkomst van de SMT-technologie heeft drie belangrijke revoluties** teweeggebracht in de elektronicaproductie-industrie: ten eerste de revolutie op het gebied van afmetingen, waarbij de afmetingen van SMT-componenten 60-70% kleiner kunnen zijn dan die van THT-componenten, zodat mobiele telefoons, slimme horloges en andere ultradraagbare apparaten mogelijk worden; ten tweede de revolutie op het gebied van efficiëntie, waarbij moderne SMT-productielijnen meer dan 100.000 componenten per uur kunnen monteren; en ten slotte de revolutie op het gebied van kosten, waarbij SMT het boren van printplaten vermindert en het materiaalverbruik verlaagt. materiaalverbruik.

SMT belangrijkste processtappen

1. Soldeerpasta afdrukken: Roestvrijstalen stencils worden gebruikt om soldeerpasta nauwkeurig af te drukken op PCB-pads. Soldeerpasta is een mengsel van minuscule soldeerdeeltjes (meestal Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5 legering) en vloeimiddel, waarvan de viscositeit en het metaalgehalte strikt gecontroleerd moeten worden. Studies hebben aangetoond dat de kwaliteit van het afdrukken van soldeerpasta rechtstreeks invloed heeft op ongeveer 70% van de SMT-soldeerdefecten.
2. Plaatsing van onderdelen: High-speed mounter door het vacuümmondstuk zal SMD-componenten nauwkeurig op de soldeerpasta. De positioneringsnauwkeurigheid van moderne plaatsingsmachines kan ±25 µm bereiken en de maximumsnelheid is hoger dan 150.000 componenten per uur. 0201 (0,6 mm × 0,3 mm) of zelfs kleinere componenten zijn mainstream geworden.
3. Reflow-solderenPCB's gaan door de reflow oven door vier temperatuurzones: voorverwarmen, bevochtigen, reflow en koelen.Typische loodvrije soldeer piektemperatuur van ongeveer 240-250 ℃, tijd controle in 60-90 seconden.Nauwkeurige regeling van het temperatuurprofiel is essentieel om defecten zoals het "grafsteeneffect" en "soldeerballen" te voorkomen.

Voordelen van SMT-technologie

De kern voordelen van SMT-technologie worden weerspiegeld in:

• Integratie met hoge dichtheid: BGA- en CSP-pakketten met een pitch van 0,4 mm en lager kunnen worden gerealiseerd.
• **Uitstekende hoogfrequente eigenschappen **:SMD-componenten met kleine parasitaire parameters, geschikt voor hoogfrequente schakelingen
• Hoge mate van automatisering: volledig geautomatiseerde productie kan worden gerealiseerd van printen tot testen
• Dubbelzijdige montage mogelijk: volledig gebruik van PCB-ruimte, verhoging van de assemblagedichtheid

Uitdagingen voor SMT

Ondanks de duidelijke voordelen heeft de SMT-technologie te maken met enkele uitdagingen:

• Miniaturisatie maakt detectie moeilijker. Voor de detectie van een 01005 (0,4 mm x 0,2 mm) component is 3D SPI-apparatuur nodig.
• Hogere temperaturen bij loodvrij solderen stellen hogere eisen aan componenten en PCB-materialen
• Problemen met de betrouwbaarheid van solderen met ultrafijne pitch, zoals gescheurde soldeerverbindingen, vals solderen, enz.
• Herwerken is moeilijk, vooral voor BGA-componenten met een bodemvulling.

Technologische trends voor SMT

De SMT-technologie blijft zich ontwikkelen en de belangrijkste ontwikkelingsrichtingen zijn onder andere:

• Ultrafijne steek technologie: voor CSP- en POP-pakketten met een pitch van 0,3 mm of minder.
• 3D SMT-technologiedriedimensionale integratie door stapelen
• SMT-proces bij lage temperatuuraan te passen aan flexibele substraten en warmtegevoelige componenten
• Slimme SMT-lijn: AI- en IoT-technologieën combineren voor voorspellend onderhoud en kwaliteitscontrole

Hybride montagetechnologie volledig geanalyseerd

Hybride montagetechnologie is een organische combinatie van THT- en SMT-technologie, die veel wordt gebruikt in moderne complexe elektronische producten. Volgens de statistieken maken ongeveer 35% van de industriële besturingsborden en 20% van de elektronische borden voor auto's gebruik van hybride montagetechnologie.

De behoefte aan hybride montage

De fundamentele reden voor het ontstaan van hybride montagetechnologie ligt in de diversificatie van de functies van elektronische producten.Neem als voorbeeld een typische industriële controller: deze vereist zowel SMT-technologie om digitale circuits met hoge dichtheid te realiseren als THT-technologie om krachtige relais en robuuste connectoren te installeren. Gemengde gebruikssituaties in medische apparatuur laten zien dat het SMT-gedeelte 70-80% van het printplaatoppervlak in beslag neemt, maar dat het THT-gedeelte kritieke signaalinterface- en energiebeheerfuncties voor zijn rekening neemt.

Gemengde volgorde van mount-processen

De procesreeks voor gemengde montage is van cruciaal belang voor de kwaliteit van het eindproduct, en er zijn twee veelgebruikte routes:

• SMT prioritaire route:

• Compleet SMT-gezicht printen, plaatsen en terugvloeien
• Flip PCB voor het invoegen van THT-componenten
• Golfsolderen THT-oppervlak (de gesoldeerde SMT-componenten moeten worden beschermd)
• Handmatig solderen van SMT-componenten die niet bestand zijn tegen golfsolderen

• THT prioritaire route:

• Plaats eerst de THT-componenten, maar soldeer ze nog niet.
• SMT-platen afdrukken, plaatsen en terugvloeien.
• Selectief golfsolderen of handmatig solderen aan het uiteinde.

Onderzoeken hebben aangetoond dat de gecombineerde opbrengst van de SMT-eerste route ongeveer 5-8% hoger is dan de THT-eerste route, maar dat hiervoor een complexer procesontwerp en betere opstellingsbescherming nodig zijn.

Essentiële onderdelen voor hybride montage

Voor een succesvol ontwerp van een hybride mount moet rekening worden gehouden met verschillende belangrijke factoren:

• Lay-outstrategie voor onderdelen: THT-componenten moeten centraal worden geplaatst om latere soldeerprocessen te vergemakkelijken.
• Ontwerp thermisch beheer: THT-solderen moet naburige SMT-componenten beschermen tegen thermische schade.
• Procescompatibiliteit: Selecteer THT-componenten die bestand zijn tegen secundaire reflowtemperaturen
• Saldo van kosten: Evalueren welke THT-componenten vervangen kunnen worden door SMT-versies om de kosten te verlagen.

Typische toepassingen voor hybride installaties

Hybride montagetechnologie blinkt uit op de volgende gebieden:

• Automobielelektronica: motorbesturingseenheden (ECU's) die SMT-microcontrollers en THT-voedingsapparaten combineren
• Industriële uitrusting: SMT logische circuits en THT relais/connectoren in PLC modules
• Medische elektronica: SMT signaalverwerkingsschakelingen met THT hoogspanningsisolatiecomponenten
• RuimtevaartSMT digitale systemen met geharde THT interfacecomponenten

Vergelijkende analyse van handmatige versus mechanische montage

Naast de gangbare THT- en SMT-technologieën, Handmatige montage en Mechanische montage zijn ook belangrijke aanvullende middelen voor printplaatassemblage, die elk van toepassing zijn op verschillende productiescenario's.

Handmatige montagetechnologie

Handmatige montage is de meest primitieve methode voor printplaatassemblage en speelt nog steeds een rol bij specifieke gelegenheden. Handmatige soldeertechnologie kan worden onderverdeeld in twee categorieën: basissolderen met de hand en handmatig precisiesolderen.

Basis handsolderen gebruikt een gewone soldeerbout en is geschikt voor:

• Prototyping- en R&D-fasen
• Kleine batchproductie (gewoonlijk <100pcs/maand)
• Assemblage van grote onderdelen
• Reparaties en aanpassingen in het veld

Handsolderen met precisie vereist een microscoop en een microfijne soldeerboutpunt voor:

• Opnieuw bewerken van onderdelen van 0402 en lager
• Reballing van BGA- en QFN-pakketten
• Betrouwbaar solderen van luchtvaartproducten
• Gespecialiseerde behandeling van gevormde onderdelen

De primaire voordelen van handmatige montage zijn flexibiliteit en lage kosten, maar de beperkingen zijn ook duidelijk: slechte consistentie (studies hebben aangetoond dat het defectpercentage van handmatige soldeerverbindingen 3-5 keer hoger ligt dan dat van geautomatiseerd solderen), inefficiëntie (geschoolde arbeiders voltooien ongeveer 200-300 soldeerverbindingen per uur) en afhankelijkheid van de vaardigheid van de operator.

Mechanische montagetechnologie

Mechanische montage vertegenwoordigt de sterk geautomatiseerd richting van PCB-assemblage, voornamelijk inclusief:

• Automatische invoegtoestel (AI): plaatst THT-onderdelen met hoge snelheden tot 45.000 onderdelen per uur
• Selectief golfsolderen: nauwkeurige controle van het soldeergebied om thermische schokken te minimaliseren
• Automatische optische inspectie (AOI): realiseert 100% kwaliteitsinspectie van soldeerverbindingen
• Robot assemblage cel: flexibele behandeling van gevormde onderdelen

De kernwaarde van mechanische montage ligt:

• Ultrahoge efficiëntie: één volledig geautomatiseerde SMT-lijn kan duizenden complexe printplaten per dag produceren
• Uitstekende consistentie: CPK-waarden tot 1,67 of meer
• Traceerbaarheid: Volledige gegevensregistratie voor eenvoudige kwaliteitsanalyse
• Kostenvoordeel op lange termijn: Hoewel de initiële investering hoog is, zijn de kosten per stuk aanzienlijk lager bij hoge volumes.

Hoe de juiste techniek voor PCB-assemblage kiezen

De volgende Sleutelfactoren moet worden overwogen bij de keuze tussen handmatige of mechanische installatie:

Conclusie

De assemblagetechnologie voor printplaten, de kern van elektronische productie, heeft zich ontwikkeld van een puur productieproces tot een uitgebreid technologiesysteem waarin materiaalkunde, precisiemachines, thermodynamica en intelligente algoritmen zijn geïntegreerd. Door een diepgaande analyse van mainstream technologieën zoals THT, SMT en hybride montage, kunnen we het ontwikkelingstraject en de toekomstige richting van de technologie voor elektronische fabricage zien.

Technologie-integratie wordt het hoofdthema van toekomstige ontwikkeling, de traditionele grenzen zullen geleidelijk vervagen.De nieuwe "half-through-hole" technologie combineert bijvoorbeeld de betrouwbaarheid van THT met de hoge dichtheidsvoordelen van SMT; 3D printing elektronica technologie kan een revolutie teweegbrengen in het bestaande assemblagemodel. Volgens de prognose van Prismark&#8217 zal SMT in 2028 85% van de wereldwijde printplaatassemblagemarkt voor zijn rekening nemen, maar zal THT een aandeel van 10-15% behouden op specifieke gebieden, en zullen hybride montagetechnologieën blijven groeien in complexe industriële producten.

Duurzaamheid Druk om technologische innovatie te stimuleren.

• Halogeenvrije loodvrije assemblageprocessen
• Energie-efficiënte productietechnologieën bij lage temperaturen
• Recyclebare ontwerpoplossingen
• Biologisch afbreekbare elektronische materialen

In de komende vijf jaar zullen groene assemblagetechnologieën waarschijnlijk een basisvereiste worden voor toegang tot de markt.