تحلیل عمیق راهکارهای PCBA: نوآوری تکنولوژیکی و چشم‌انداز صنعت

1. تجزیه و تحلیل فناوری هسته PCBA

۱) انتخاب و بهینه‌سازی مواد

◉ زیرلایه برد مدار: سناریوهای کاربردی مختلف، الزامات متفاوتی برای زیرلایه برد مدار دارند. به عنوان مثال، در زمینه ارتباطات فرکانس بالا، مانند تجهیزات ایستگاه پایه 5G، برای کاهش تلفات انتقال سیگنال و تضمین انتقال سیگنال با سرعت بالا و پایدار، استفاده از مواد فرکانس بالا با ثابت دی‌الکتریک پایین و تلفات کم، مانند بردهای فرکانس بالای راجرز، ضروری است. در برخی از زمینه‌های لوازم الکترونیکی مصرفی حساس به هزینه، مانند ساعت‌های هوشمند و هدفون‌های بی‌سیم، مواد FR-4 به دلیل عملکرد پرهزینه خود، به یک انتخاب رایج تبدیل شده‌اند.

◉ لحیم‌کاری: با بهبود الزامات حفاظت از محیط زیست، لحیم‌کاری بدون سرب به جریان اصلی تبدیل شده است. در میان آنها، آلیاژهای SAC (Sn-Ag-Cu) در حال حاضر پرکاربردترین لحیم‌کاری‌های بدون سرب هستند. به عنوان مثال، SAC305 (Sn96.5Ag3.0Cu0.5) عملکرد جوشکاری و خواص مکانیکی خوبی دارد. با این حال، به منظور کاهش بیشتر میزان حفره لحیم‌کاری، برخی از آلیاژهای جدید با حفره کم همچنان در حال ظهور هستند، مانند آلیاژهای SAC با مقادیر ناچیزی از Bi، Ni، Sb و سایر عناصر که می‌توانند دانه‌ها را اصلاح کنند، ویسکوزیته مذاب را کاهش دهند و به طور موثر تولید حفره‌ها را کاهش دهند.

◉ قطعات: کوچک‌سازی و عملکرد بالای قطعات الکترونیکی، روندهای مهمی در توسعه PCBA هستند. به عنوان مثال، تراشه‌ها، از مدارهای مجتمع بزرگ اولیه گرفته تا تراشه‌های نانومقیاس امروزی، مانند تراشه‌های سری M اپل، از فناوری فرآیند پیشرفته برای ادغام میلیاردها ترانزیستور در اندازه بسیار کوچک استفاده می‌کنند و به قدرت محاسباتی قدرتمند و مصرف برق کم دست می‌یابند. در عین حال، برای پاسخگویی به نیازهای سناریوهای مختلف کاربردی، قطعات جدید مختلفی مانند دستگاه‌های ولتاژ بالا و جریان بالا، حسگرهای کم مصرف مناسب برای دستگاه‌های اینترنت اشیا و غیره همچنان در حال ظهور هستند.

۲) فرآیند مونتاژ و کنترل کیفیت

◉ SMT (فناوری نصب سطحی): این رایج‌ترین فرآیند مونتاژ برای PCBA است. در فرآیند SMT، چاپ دقیق خمیر لحیم کلید اصلی است. با بهینه‌سازی طراحی دهانه توری فولادی و فشار تراشنده، می‌توان اطمینان حاصل کرد که خمیر لحیم به طور یکنواخت و دقیق روی برد مدار چاپ می‌شود و از فروپاشی خمیر لحیم ناشی از نقص جوشکاری جلوگیری می‌کند. به عنوان مثال، استفاده از توری فولادی فوق نازک برش داده شده توسط لیزر می‌تواند چاپ خمیر لحیم ظریف‌تری را به دست آورد و کیفیت جوشکاری اجزای کوچک را بهبود بخشد. منحنی دمای لحیم کاری بازتابی نیز باید به شدت کنترل شود. با توجه به اجزای مختلف و ویژگی‌های لحیم، پارامترهایی مانند نرخ گرمایش، زمان نگهداری و دمای اوج تنظیم می‌شوند تا از قابلیت اطمینان اتصالات لحیم اطمینان حاصل شود.

◉ DIP (فناوری درج از طریق سوراخ): اگرچه کاربرد آن در محصولات الکترونیکی مینیاتوری به تدریج در حال کاهش است، اما هنوز هم در برخی از محصولات با نیازهای توان و قابلیت اطمینان بالا، مانند ماژول‌های برق، بردهای کنترل صنعتی و غیره، ضروری است. در فرآیند DIP، پین‌های قطعات در سوراخ‌های برد مدار قرار می‌گیرند و با لحیم‌کاری موجی یا لحیم‌کاری دستی ثابت می‌شوند. به منظور بهبود کیفیت جوشکاری، انتخاب روان‌ساز، دمای پیش‌گرمایش و زمان جوشکاری باید به شدت کنترل شود.

◉ بازرسی و کنترل کیفیت: بازرسی کیفیت PCBA در کل فرآیند تولید انجام می‌شود. روش‌های بازرسی رایج شامل AOI (بازرسی نوری خودکار)، بازرسی با اشعه ایکس و ICT (آزمایش درون مدار) است. AOI می‌تواند به سرعت عیوب سطحی مانند قطعات گمشده، آفست، اتصال کوتاه و غیره را در برد مدار تشخیص دهد. بازرسی با اشعه ایکس می‌تواند مشکلاتی مانند حفره‌ها و اتصالات لحیم سرد درون اتصالات لحیم، به ویژه برای بردهای مدار چند لایه و قطعات بسته‌بندی شده BGA (آرایه شبکه توپی) را تشخیص دهد که نقش بازرسی مهمی ایفا می‌کند. ICT می‌تواند با انجام آزمایش‌های عملکرد الکتریکی روی اجزای روی برد مدار، به طور کامل تشخیص دهد که آیا برد مدار به طور عادی کار می‌کند یا خیر. با ایجاد یک سیستم مدیریت کیفیت کامل، می‌توان نظارت و تجزیه و تحلیل داده‌ها را در فرآیند تولید به صورت بلادرنگ انجام داد تا به سرعت مشکلات کیفی کشف و حل شوند و ثبات کیفیت PCBA تضمین شود.

2. کاربرد راهکارهای PCBA در صنایع مختلف

۱) لوازم الکترونیکی مصرفی
◉ گوشی‌های هوشمند: گوشی‌های هوشمند به عنوان نماینده‌ای از لوازم الکترونیکی مصرفی، الزامات بسیار بالایی برای PCBA دارند. تعداد زیادی از اجزای با کارایی بالا باید در یک فضای محدود ادغام شوند تا عملکردهای متعددی مانند تماس، عکس، بازی و پرداخت‌های موبایلی را انجام دهند. به عنوان مثال، سری گوشی‌های آیفون اپل طراحی PCBA را بهینه کرده و از بردهای مدار چند لایه با چگالی بالا (HDI) برای چیدمان دقیق بسیاری از اجزا مانند پردازنده‌ها، حافظه، ماژول‌های دوربین و ماژول‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌کند و به طراحی بدنه نازک و عملکردهای قدرتمند دست می‌یابد. در عین حال، برای برآورده کردن تقاضای کاربران برای عمر طولانی باتری، طراحی PCBA سیستم مدیریت باتری دائماً در حال نوآوری است تا راندمان شارژ و دشارژ و ایمنی باتری را بهبود بخشد.
◉ دستگاه‌های خانه هوشمند: با توسعه فناوری اینترنت اشیا، بازار دستگاه‌های خانه هوشمند به سرعت در حال رشد است. بلندگوهای هوشمند، دوربین‌های هوشمند، قفل‌های درب هوشمند و سایر محصولات از پشتیبانی فناوری PCBA جدایی‌ناپذیر هستند. به عنوان مثال، بلندگوهای هوشمند، تشخیص صدا، پردازش صدا، ارتباط بی‌سیم و سایر عملکردها از طریق PCBA محقق می‌شوند. به عنوان مثال، بلندگوی هوشمند Echo آمازون دارای تراشه‌های پردازش صوتی با کارایی بالا و ماژول‌های ارتباطی بلوتوث و Wi-Fi داخلی است که می‌توانند دستورات صوتی کاربر را به طور دقیق تشخیص داده و پخش موسیقی، جستجوی اطلاعات و سایر عملکردها را از طریق اتصال به شبکه انجام دهند. قفل‌های درب هوشمند از PCBA برای تشخیص اثر انگشت، ورود رمز عبور، باز کردن قفل بلوتوث و سایر عملکردها استفاده می‌کنند و تجربه‌ای راحت و امن از خانه را برای کاربران فراهم می‌کنند.

۲) الکترونیک خودرو
◉ سیستم کنترل قدرت: سیستم کنترل قدرت خودرو، مانند سیستم مدیریت باتری (BMS) خودروهای الکتریکی و سیستم کنترل موتور خودروهای سوخت سنتی، همگی به PCBA با دقت و قابلیت اطمینان بالا متکی هستند. BMS مسئول نظارت بر ولتاژ، جریان، دما و سایر پارامترهای باتری، کنترل فرآیند شارژ و دشارژ باتری و اطمینان از عملکرد ایمن و کارآمد باتری است. به عنوان مثال، BMS خودروهای تسلا از طراحی و الگوریتم‌های پیشرفته PCBA برای مدیریت دقیق هزاران سلول باتری و بهبود عمر و عملکرد باتری استفاده می‌کند. سیستم کنترل موتور از PCBA برای دستیابی به کنترل دقیق پارامترهای موتور مانند تزریق سوخت و زمان‌بندی احتراق، بهبود عملکرد قدرت موتور و صرفه‌جویی در مصرف سوخت استفاده می‌کند.
◉ سیستم کمک رانندگی خودکار: با توسعه فناوری رانندگی خودکار، سیستم کمک رانندگی خودکار (ADAS) خودروها بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. ADAS شامل دستگاه‌های متنوعی مانند دوربین، رادار، حسگر و غیره است که جمع‌آوری، پردازش و انتقال داده‌ها را از طریق PCBA انجام می‌دهند. به عنوان مثال، تراشه DRIVE Orin شرکت NVIDIA قدرت محاسباتی قدرتمند و الگوریتم‌های پیشرفته هوش مصنوعی را ادغام می‌کند. این تراشه از طریق PCBA با حسگرهای مختلف متصل می‌شود تا درک و تحلیل بلادرنگ از محیط اطراف خودرو را محقق کند و پشتیبانی تصمیم‌گیری را برای رانندگی خودکار فراهم کند.

۳) کنترل صنعتی
◉ تجهیزات اتوماسیون صنعتی: در تولید صنعتی، تجهیزات اتوماسیون صنعتی به طور گسترده در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، PLC (کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی)، اینورتر، سروو درایو و سایر تجهیزات می‌توانند کنترل دقیق فرآیندهای تولید صنعتی را از طریق PCBA انجام دهند. به عنوان مثال، PLC سری S7 شرکت زیمنس طراحی ماژولار را اتخاذ کرده و از طریق PCBA ارتباط و کار مشترک بین ماژول‌های عملکردی مختلف را محقق می‌کند. این PLC می‌تواند کنترل خودکار خطوط تولید را با توجه به الزامات مختلف فرآیند تولید انجام دهد و راندمان تولید و کیفیت محصول را بهبود بخشد.
◉ سیستم کنترل ربات: ربات‌ها به طور فزاینده‌ای در تولید صنعتی، توزیع لجستیک، جراحی پزشکی و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. سیستم کنترل ربات از PCBA برای تحقق کنترل حرکت ربات، تشخیص بصری، درک نیرو و سایر عملکردها استفاده می‌کند. به عنوان مثال، سیستم کنترل ربات صنعتی FANUC از PCBA با کارایی بالا و الگوریتم‌های پیشرفته برای دستیابی به کنترل حرکت دقیق ربات و اجرای وظایف پیچیده استفاده می‌کند و راه‌حل‌های کارآمد و انعطاف‌پذیری را برای تولید صنعتی ارائه می‌دهد.

3. روند توسعه آینده راهکارهای PCBA

۱) هوش و اتوماسیون
◉ کاربرد فناوری تولید هوشمند: در آینده، تولید PCBA هوشمندتر و خودکارتر خواهد شد. با معرفی فناوری‌هایی مانند هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML)، می‌توان به نظارت و بهینه‌سازی بلادرنگ فرآیند تولید دست یافت. به عنوان مثال، از الگوریتم‌های هوش مصنوعی برای تجزیه و تحلیل داده‌های تولید، پیش‌بینی خرابی تجهیزات و مشکلات کیفی و انجام اقدامات پیشگیرانه برای پیشگیری و حل آنها استفاده می‌شود. در عین حال، خطوط تولید خودکار محبوبیت بیشتری پیدا خواهند کرد. کاربرد تجهیزاتی مانند چاپگرهای خمیر لحیم کاملاً خودکار، دستگاه‌های جایگذاری پرسرعت و ربات‌های هوشمند، راندمان تولید و کیفیت محصول را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد و تأثیر عوامل انسانی بر تولید را کاهش می‌دهد.
طراحی هوشمند PCBA: در مرحله طراحی، با کمک فناوری هوش مصنوعی و یادگیری ماشین، طراحی هوشمند PCBA محقق می‌شود. به عنوان مثال، با توجه به الزامات عملکردی و شاخص‌های عملکرد محصول، طرح بهینه برد مدار و طرح انتخاب قطعات به طور خودکار تولید می‌شوند. در عین حال، از طریق فناوری شبیه‌سازی مجازی، عملکرد PCBA پیش‌بینی و بهینه می‌شود، خطاهای طراحی و اصلاحات مکرر کاهش می‌یابد و چرخه توسعه محصول کوتاه می‌شود.

۲) کوچک‌سازی و یکپارچه‌سازی
◉ کوچک‌سازی بیشتر قطعات: از آنجایی که محصولات الکترونیکی نیازهای حجمی و وزنی بیشتری دارند، روند کوچک‌سازی قطعات همچنان در حال توسعه خواهد بود. به عنوان مثال، فناوری بسته‌بندی تراشه به نوآوری خود ادامه خواهد داد، از QFP سنتی (بسته‌بندی مسطح چهارتایی) و BGA گرفته تا CSP (بسته‌بندی با اندازه تراشه) و WLCSP (بسته‌بندی با اندازه تراشه در سطح ویفر) که کوچک‌تر شده‌اند. در عین حال، قطعات غیرفعال مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، سلف‌ها و غیره همچنان از نظر اندازه کوچک‌تر شده و ادغام بهبود می‌یابد.
کاربرد فناوری بسته‌بندی سطح سیستم (SiP): فناوری SiP می‌تواند چندین تراشه و قطعه با عملکردهای مختلف را در یک بسته ادغام کند تا به عملکردهای سطح سیستم دست یابد. به عنوان مثال، هدفون‌های AirPods Pro اپل از فناوری SiP برای ادغام تراشه‌های بلوتوث، تراشه‌های پردازش صدا، حسگرها و غیره استفاده می‌کنند که ضمن بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم، اندازه هدفون را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. در آینده، فناوری SiP در زمینه‌های بیشتری به کار گرفته خواهد شد و توسعه محصولات الکترونیکی را به سمت کوچک‌سازی و ادغام ارتقا خواهد داد.

۳) حفاظت از محیط زیست سبز و توسعه پایدار
◉ کاربرد مواد سازگار با محیط زیست: با افزایش آگاهی زیست‌محیطی، تولید PCBA از مواد سازگار با محیط زیست بیشتری استفاده خواهد کرد. به عنوان مثال، در زمینه زیرلایه‌های برد مدار چاپی، مواد تجزیه‌پذیر و کم‌آلوده توسعه داده شود؛ در زمینه لحیم‌کاری، عملکرد لحیم‌کاری بدون سرب بیشتر بهینه شود تا تأثیر بر محیط زیست کاهش یابد. در عین حال، بازیافت و تصفیه زباله‌های الکترونیکی برای دستیابی به بازیافت منابع تقویت شود.
◉ فرآیند تولید با صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: بهینه‌سازی فرآیند تولید PCBA برای کاهش مصرف انرژی و انتشار آلاینده‌ها. به عنوان مثال، اتخاذ فرآیند جوشکاری در دمای پایین، بهینه‌سازی سیستم مدیریت انرژی تجهیزات و سایر اقدامات برای دستیابی به هدف صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای. در عین حال، ترویج مفهوم تولید سبز، در نظر گرفتن عوامل زیست‌محیطی در کل چرخه عمر از طراحی محصول، تولید تا استفاده و دستیابی به توسعه پایدار.

به عنوان یک فناوری کلیدی در حوزه فناوری الکترونیک، راهکارهای PCBA نقش مهمی در ارتقای توسعه صنایع مختلف ایفا می‌کنند. فناوری PCBA از طریق نوآوری مداوم و بهینه‌سازی انتخاب مواد، فرآیند مونتاژ، کنترل کیفیت و سایر فناوری‌ها و همچنین سازگاری با روندهای توسعه مانند هوشمندسازی، کوچک‌سازی و حفاظت از محیط زیست سبز، پشتیبانی قوی‌تری را برای توسعه محصولات الکترونیکی آینده فراهم می‌کند و تقاضای رو به رشد مردم برای محصولات الکترونیکی با کارایی بالا، چند منظوره و سازگار با محیط زیست را برآورده می‌سازد.