Teknik för montering av kretskort

Översikt över teknik för PCB-montering

PCB-montering (Printed Circuit Board) är processen att montera elektroniska komponenter på ett PCB och bilda en elektrisk anslutning, vilket är kärnlänken i tillverkningen av moderna elektroniska produkter. Med utvecklingen av elektroniska produkter i riktning mot miniatyrisering och hög prestanda utvecklas också PCB-monteringstekniken. För närvarande omfattar den vanliga PCB-monteringstekniken huvudsakligen genomgående hålmonteringsteknik (THT), ytmonteringsteknik (SMT), hybridmonteringsteknik, såväl som manuell och mekanisk installation och andra former.

PCB-montering är inte bara en enkel komponent som är fixerad på substratet, utan också en komplex process som involverar materialvetenskap, precisionsmaskiner, termodynamik och elektronik och andra tvärvetenskapliga processer.Valet av lämplig monteringsteknik påverkar direkt produkttillförlitlighet, produktionskostnader och marknadens konkurrenskraft.Enligt statistiken har den globala marknadsstorleken för PCB-montering 2023 nått cirka 80 miljarder US-dollar och förväntas växa till 120 miljarder US-dollar fram till 2028, med en sammansatt årlig tillväxttakt på cirka 6,5%.

Through-Hole Technologyts/in²)4. Hög ledningsdensitet (>117 ledningar/in²) (THT)ts/in²)4. Hög ledningsdensitet (>117 ledningar/in²)

Monteringsteknik för genomgående hål (THT) är en av de tidigaste PCB-monteringsmetoderna och spelar fortfarande en viktig roll inom vissa områden. Grundprincipen för THT-tekniken är att föra in komponenternas stift i förborrade genomgående hål på kretskortet och sedan löda fast dem på andra sidan av kretskortet.

Funktioner för THT-teknik

THT-tekniken har flera anmärkningsvärda egenskaper: För det första bildar den en mycket stark mekanisk anslutning som kan motstå stora fysiska och termiska påfrestningar, vilket gör THT särskilt lämplig för applikationsscenarier som kräver hög tillförlitlighet, t.ex. flyg- och rymdindustrin, militär utrustning och industriella styrsystem.För det andra har THT-komponenter vanligtvis stort stiftavstånd, vilket underlättar manuell drift och underhåll. Enligt IPC-standarder har vanliga THT-komponenter ett stiftavstånd på 2,54 mm (0,1 tum), medan vissa högeffektskomponenter kan ha ett avstånd på 5,08 mm eller mer.

THT-processflöde

Ett typiskt THT-processflöde består av följande steg:

1. Komponentinsättning: Rikta in komponentstiften manuellt eller automatiskt mot kretskortets hål och sätt i dem
2. Böjning av stift: För att förhindra att komponenten faller ut är stiften vanligtvis böjda något utåt
3. VåglödningPCB passerar genom en våglödningsmaskin, smält lödd kontaktar alla stift från botten för att bilda en lödfog.
4. Trimning av stift: Använd ett specialverktyg för att kapa av alltför långa stift.
5. Rengöring och inspektion: Fluxrester avlägsnas och en visuell eller automatiserad optisk inspektion utförs.

Fördelar och begränsningar med THT-tekniken

De viktigaste fördel av THT-tekniken är dess utmärkta mekaniska styrka och tillförlitlighet. Enligt forskningsdata är felfrekvensen för THT-lödfogar i vibrationsmiljöer cirka 30-40% lägre än för SMT-lödfogar. Dessutom har THT-tekniken färre begränsningar när det gäller komponentstorlek och är lämplig för högeffekts- och högspänningskomponenter som elektrolytkondensatorer, transformatorer och högeffektsmotstånd.

THT-tekniken har emellertid också uppenbara Begränsningar: lägre produktionseffektivitet, modern höghastighets THT-plug-in-maskinhastighet på cirka 20 000-30 000 komponenter per timme, mycket lägre än SMT-montören; PCB måste borra ett stort antal genomgående hål, vilket ökar kostnaden för kartongproduktion; kan inte uppnå högdensitetsmontering, vilket begränsar utvecklingen av miniatyrisering av elektroniska produkter.

Scenarier för THT-applikationer

Även om SMT-tekniken har blivit mainstream har THT fortfarande en viktig position inom följande områden:

• Elektronisk utrustning för militär och flyg med höga krav på tillförlitlighet
• Högeffektsströmförsörjning och kraftelektronik
• Anslutningsenheter som kräver frekventa in- och urkopplingar
• Experiment och prototyptillverkning i utbildningssyfte
• Elektronisk utrustning som används i speciella miljöer (t.ex. miljöer med hög temperatur och hög luftfuktighet)

Ytmonteringstekniker/in²)4. Hög ledningsdensitet (>117 ledningar/in²) (SMT)

Ytmonteringstekniker/in²)4. Hög ledningsdensitet (>117 ledningar/in²) (SMT) är den vanligaste tekniken för mönsterkortsmontering idag och har revolutionerat elektroniktillverkningen.SMT-tekniken monterar komponenter direkt på pads på mönsterkortets yta och skapar elektriska och mekaniska anslutningar genom omsmältningsprocessen.

Revolution inom SMT-teknik

Framväxten av SMT-teknik har medfört tre stora revolutioner ** i elektroniktillverkningsindustrin: för det första storleksrevolutionen, SMT-komponentstorlek kan vara 60-70% mindre än THT-komponenter, så att mobiltelefoner, smarta klockor och andra ultraportabla enheter blir möjliga; för det andra effektivitetsrevolutionen, moderna SMT-produktionslinjer kan monteras mer än 100.000 komponenter per timme; och slutligen kostnadsrevolutionen, SMT minskar PCB-borrningsprocessen, minskar materialförbrukningen. materialförbrukning.

SMT:s viktigaste processteg

1. Lödpastatryck: 117 trådar/in²) 4. Hög ledningsdensitet (117 trådar/in²): Stenciler i rostfritt stål används för att exakt trycka lödpasta på PCB-kuddar. Lödpasta är en blandning av små lödpartiklar (vanligtvis Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5-legering) och flussmedel, vars viskositet och metallinnehåll måste kontrolleras strikt. Studier har visat att kvaliteten på lödpastautskriften direkt påverkar cirka 70% av SMT-lödningsdefekterna.
2. Placering av komponenter: Höghastighetsmonterare genom vakuummunstycket kommer SMD-komponenter exakt på lödpasta. Positioneringsnoggrannheten för moderna placeringsmaskiner kan nå ± 25 μm, och den maximala hastigheten överstiger 150 000 komponenter per timme. 0201 (0,6mm × 0,3mm) eller ännu mindre storlekskomponenter har blivit mainstream.
3. Reflow-lödningar/in²)4. Hög ledningsdensitet (>117 ledningar/in²)PCB passerar genom återflödesugnen genom fyra temperaturzoner: förvärmning, vätning, återflöde och kylning.Typisk blyfri lödtopptemperatur på cirka 240-250 ℃, tidskontroll på 60-90 sekunder.Exakt kontroll av temperaturprofilen är nödvändig för att undvika defekter som "gravstenseffekt" och "lödkulor".

Fördelar med SMT-teknik

Kärnan Fördelar av SMT-tekniken återspeglas i:

• Integration med hög densitet: BGA- och CSP-paket med en pitch på 0,4 mm och lägre kan realiseras.
• **Utmärkta högfrekvensegenskaper **:SMD-komponenter med små parasitparametrar, lämpliga för högfrekventa kretsar
• Hög grad av automatisering: helautomatisk produktion kan realiseras från tryckning till testning
• Möjlighet till dubbelsidig montering: fullt utnyttjande av PCB-utrymmet, ökad monteringsdensitet

Utmaningar som SMT står inför

Trots de uppenbara fördelarna står SMT-tekniken inför vissa utmaningar:

• Miniatyriseringen medför ökade svårigheter vid detektering. Detektering av en 01005 (0,4 mm x 0,2 mm) komponent kräver 3D SPI-utrustning
• Högre temperaturer vid blyfri lödning ställer högre krav på komponenter och PCB-material
• Problem med tillförlitligheten vid lödning med ultrafina lödpunkter, t.ex. spruckna lödfogar, falsk lödning etc.
• Omarbetning är svårt, särskilt för bottenfyllda BGA-komponenter.

Trender inom SMT-teknik

SMT-tekniken fortsätter att utvecklas och de viktigaste utvecklingsriktningarna inkluderar:

• Ultrafin pitch-teknik: för att klara CSP- och POP-paket med en delning på 0,3 mm eller mindre.
• 3D SMT-teknik: tredimensionell integration genom stapling
• SMT-process vid låg temperatur: anpassar sig till flexibla substrat och värmekänsliga komponenter
• Smart SMT-linje: kombinerar AI- och IoT-teknik för förebyggande underhåll och kvalitetskontroll

Fullständig analys av hybridmonteringstekniken

Hybrid monteringsteknik är en organisk kombination av THT- och SMT-teknik, som används i stor utsträckning i moderna komplexa elektroniska produkter. Enligt statistiken använder cirka 35% av industriella styrkort och 20% av fordonselektroniska kort hybridmonteringsteknik.

Behovet av hybridmontering

Den grundläggande skäl Förklaringen till att hybridmonteringstekniken uppstod ligger i att elektroniska produkters funktioner har blivit alltmer mångsidiga. Ta en typisk industriell styrenhet som exempel, den kräver både SMT-teknik för att realisera digitala kretsar med hög densitet och THT-teknik för att installera högeffektsreläer och robusta kontakter. Blandade användningsområden inom medicinsk utrustning visar att SMT-delen tar upp 70-80% av kortytan, men THT-delen tar hand om kritiska signalgränssnitt och strömhanteringsfunktioner.

Processsekvens för mixad montering

Den processsekvens för blandad montering är avgörande för kvaliteten på den färdiga produkten, och det finns två vanliga vägar:

• SMT Prioriterad rutt:

• Komplett SMT-tryckning, placering och omsmältning
• Vänd PCB för THT-komponentinsättning
• Våglödning av THT-ytan (måste skydda de SMT-komponenter som har lödts)
• Manuell lödning av SMT-komponenter som inte tål våglödning

• THT Prioriterad rutt:

• Sätt i THT-komponenterna först, men löd dem inte än
• Utföra SMT-tryckning, placering och omsmältning.
• Selektiv våglödning eller manuell lödning i slutet.

Studier har visat att det kombinerade utbytet för den första SMT-vägen är ca 5-8% högre än för den första THT-vägen, men kräver en mer komplex processdesign och fixturskydd.

Viktiga konstruktionsdetaljer för hybridmontering

En framgångsrik design av hybridfästen kräver att man tar hänsyn till flera viktiga faktorer:

• Strategi för komponentlayout: THT-komponenter bör vara centralt placerade för att underlätta efterföljande lödningsprocesser
• Design av termisk hantering: THT-lödning måste skydda närliggande SMT-komponenter från termisk skada.
• Processkompatibilitet: Välj THT-komponenter som klarar sekundära omsmältningstemperaturer
• Saldo av anskaffningsvärde: Utvärdera vilka THT-komponenter som kan ersättas med SMT-versioner för att minska kostnaderna.

Typiska tillämpningar för hybridinstallationer

Hybridmonteringsteknik utmärker sig inom följande områden:

• Elektronik för fordonsindustrin: motorstyrenheter (ECU) som kombinerar SMT-mikrokontroller och THT-strömförsörjningsenheter
• Industriell utrustning: SMT-logikkretsar och THT-reläer/kontakter i PLC-moduler
• Medicinsk elektronikSMT-signalbehandlingskretsar med THT-komponenter för högspänningsisolering
• Flyg- och rymdindustrinSMT-digitalsystem med härdade THT-gränssnittskomponenter

Jämförande analys av manuell och mekanisk montering

Utöver de vanliga THT- och SMT-teknikerna, Manuell montering och Mekanisk montering är också viktiga kompletterande metoder för kretskortsmontering, var och en tillämplig på olika produktionsscenarier.

Manuell monteringsteknik

Manuell montering är den mest primitiva PCB-monteringsmetoden och spelar fortfarande en roll vid specifika tillfällen. Manuell lödningsteknik kan delas in i två kategorier: grundläggande manuell lödning och manuell precisionslödning.

Grundläggande handlödning använder en vanlig lödkolv och är lämplig för:

• Prototyptillverkning och FoU-stadier
• Liten batchproduktion (vanligtvis < 100st / månad)
• Montering av stora komponenter
• Reparationer och modifieringar på fältet

Precisionslödning för hand kräver ett mikroskop och en mikrofin lödkolvsspets för:

• Omarbetning av komponenter i storlek 0402 och lägre
• Omskalning av BGA- och QFN-paket
• Lödning med hög tillförlitlighet av produkter för flyg- och rymdindustrin
• Specialiserad hantering av formade komponenter

Den primära fördelar av manuell montering är flexibilitet och låg kostnad, men dess Begränsningar är också uppenbara: dålig konsistens (studier har visat att defektfrekvensen för manuella lödfogar är 3-5 gånger högre än för automatiserad lödning), ineffektivitet (kvalificerade arbetare utför cirka 200-300 lödfogar per timme) och beroende av operatörens skicklighet.

Mekanisk monteringsteknik

Mekanisk montering representerar den mycket automatiserad riktning för PCB-montering, huvudsakligen inklusive:

• Automatisk insticksmaskin (AI): sätter i THT-komponenter i höga hastigheter upp till 45.000 komponenter per timme
• Selektiv våglödningSelektiv våglödning: exakt kontroll av lödområdet för att minimera termisk chock
• Automatisk optisk inspektion (AOI): möjliggör 100% kvalitetsinspektion av lödfogar minimerar termisk chock
• Robotmonterad cello minimerar termisk chock: flexibel hantering av formade komponenter för att minimera termisk chock

Den kärnvärde att minimera termisk chock av mekanisk montering ligger i att:o minimera termisk chock

• Ultrahög effektivitet: en helautomatisk SMT-linje kan producera tusentals komplexa mönsterkort per dag minimera termisk chock
• Utmärkt konsistens: CPK-värden upp till 1,67 eller mer för att minimera termisk chock
• Spårbarhet:Fullständig dataloggning för enkel kvalitetsanalys Minimerar termisk chock
• Långsiktig kostnadsfördel:Även om den initiala investeringen är hög, är kostnaden per styck betydligt lägre vid höga volymer.o minimera termisk chock

Hur man väljer rätt teknik för kretskortsmontering

Följande åtgärder för att minimera termisk chock Viktiga faktorer för att minimera termisk chock bör beaktas när man väljer mellan manuell eller mekanisk installation:o minimera termisk chock

Slutsats

PCB-monteringsteknik, som kärnlänken i elektronisk tillverkning, har utvecklats från en ren produktionsprocess till ett omfattande teknologisystem som integrerar materialvetenskap, precisionsmaskiner, termodynamik och intelligenta algoritmer. Genom en djupgående analys av mainstream-teknologier som THT, SMT och hybridmontering kan vi se utvecklingsbanan och den framtida riktningen för elektroniktillverkningstekniken.

Teknikintegration kommer att bli huvudtemat för den framtida utvecklingen, de traditionella gränserna kommer gradvis att suddas ut.Till exempel kombinerar den nya "half-through-hole" -tekniken tillförlitligheten hos THT och fördelarna med hög densitet hos SMT; 3D-utskriftselektronikteknik kan revolutionera den befintliga monteringsmodellen. Enligt Prismark’s prognos kommer SMT år 2028 att stå för 85% av den globala marknaden för PCB-montering, men THT kommer att behålla en andel på 10-15% inom specifika områden, och hybridmonteringstekniker kommer att fortsätta att växa i komplexa industriprodukter.

Hållbarhet Tryck för att driva teknisk innovation.

• Halogenfria blyfria monteringsprocesser
• Energieffektiva produktionstekniker med låg temperatur
• Återvinningsbara designlösningar
• Bionedbrytbara elektroniska material

Under de kommande fem åren kommer miljövänlig monteringsteknik sannolikt att bli ett grundläggande krav för marknadstillträde.