Szczegółowa analiza rozwiązań PCBA: innowacje technologiczne i perspektywy branży

1. Analiza technologii rdzeni PCBA

1) Dobór i optymalizacja materiałów

◉ Podłoże płytki drukowanej: Różne scenariusze zastosowań mają różne wymagania dotyczące podłoża płytki drukowanej. Na przykład w dziedzinie komunikacji wysokoczęstotliwościowej, takiej jak urządzenia stacji bazowych 5G, konieczne jest stosowanie materiałów o niskiej stałej dielektrycznej i niskich stratach, takich jak płytki wysokoczęstotliwościowe firmy Rogers, aby zmniejszyć straty sygnału i zapewnić szybką i stabilną transmisję. W niektórych wrażliwych na koszty dziedzinach elektroniki użytkowej, takich jak inteligentne zegarki i słuchawki bezprzewodowe, materiały FR-4 stały się powszechnym wyborem ze względu na ich wysoką wydajność kosztową.

◉ Lut: Wraz z zaostrzeniem wymogów ochrony środowiska, lutowie bezołowiowe stały się powszechne. Spośród nich, stopy SAC (Sn-Ag-Cu) są obecnie najszerzej stosowanymi lutami bezołowiowymi. Na przykład SAC305 (Sn96,5Ag3,0Cu0,5) charakteryzuje się dobrą spawalnością i właściwościami mechanicznymi. Jednak w celu dalszego zmniejszenia liczby pustych przestrzeni w lutowiu, stale pojawiają się nowe stopy o małej liczbie pustych przestrzeni, takie jak stopy SAC ze śladowymi ilościami Bi, Ni, Sb i innych pierwiastków, które mogą rozdrobnić ziarna, zmniejszyć lepkość stopu i skutecznie ograniczyć powstawanie pustych przestrzeni.

◉ Komponenty: Miniaturyzacja i wysoka wydajność komponentów elektronicznych to ważne trendy w rozwoju PCBA. Biorąc za przykład chipy, od wczesnych wielkogabarytowych układów scalonych po dzisiejsze nanochipy, takie jak układy Apple z serii M, zaawansowana technologia procesowa jest wykorzystywana do integracji miliardów tranzystorów w bardzo małych rozmiarach, co pozwala uzyskać dużą moc obliczeniową i niskie zużycie energii. Jednocześnie, aby sprostać potrzebom różnych scenariuszy zastosowań, stale pojawiają się nowe komponenty, takie jak urządzenia wysokiego napięcia i prądu, czujniki o niskim poborze mocy odpowiednie dla urządzeń IoT itp.

2) Proces montażu i kontrola jakości

◉ SMT (technologia montażu powierzchniowego): Jest to najczęściej stosowana metoda montażu PCBA. W procesie SMT precyzyjne nakładanie pasty lutowniczej jest kluczowe. Optymalizacja otworów w siatce stalowej i nacisku skrobaka zapewnia równomierne i dokładne nakładanie pasty lutowniczej na płytkę drukowaną, redukując jej zapadanie się spowodowane defektami spawalniczymi. Na przykład, zastosowanie ultracienkiej siatki stalowej ciętej laserowo pozwala uzyskać delikatniejszy nadruk pasty lutowniczej i poprawić jakość spawania drobnych elementów. Krzywa temperaturowa lutowania rozpływowego również wymaga ścisłej kontroli. W zależności od komponentów i charakterystyki lutu, parametry takie jak szybkość nagrzewania, czas wygrzewania i temperatura szczytowa są dostosowywane, aby zapewnić niezawodność połączeń lutowanych.

◉ Technologia DIP (through-hole insertion): Chociaż jej zastosowanie w zminiaturyzowanych produktach elektronicznych stopniowo maleje, nadal jest niezbędna w niektórych produktach o wysokich wymaganiach dotyczących mocy i niezawodności, takich jak moduły zasilania, przemysłowe płytki sterujące itp. W procesie DIP piny komponentów są umieszczane w otworach przelotowych płytki drukowanej i mocowane za pomocą lutowania falowego lub lutowania ręcznego. Aby poprawić jakość spawania, należy ściśle kontrolować dobór topnika, temperatury podgrzewania i czasu spawania.

◉ Kontrola jakości: Kontrola jakości PCBA obejmuje cały proces produkcji. Powszechnie stosowane metody kontroli obejmują AOI (automatyczną kontrolę optyczną), kontrolę rentgenowską oraz ICT (testowanie wewnątrzukładowe). AOI umożliwia szybkie wykrywanie wad powierzchniowych, takich jak brakujące elementy, przesunięcia, zwarcia itp. na płytce drukowanej; kontrola rentgenowska umożliwia wykrywanie problemów, takich jak puste przestrzenie i zimne luty wewnątrz połączeń lutowanych, szczególnie w przypadku wielowarstwowych płytek drukowanych i komponentów w obudowach BGA (Bag), co odgrywa ważną rolę w kontroli; ICT umożliwia pełne sprawdzenie, czy płytka drukowana działa prawidłowo, przeprowadzając testy wydajności elektrycznej komponentów na płytce drukowanej. Dzięki wdrożeniu kompletnego systemu zarządzania jakością, monitorowanie i analiza danych w czasie rzeczywistym w procesie produkcyjnym mogą być prowadzone w celu szybkiego wykrywania i rozwiązywania problemów jakościowych oraz zapewnienia stabilności jakości PCBA.

2. Zastosowanie rozwiązań PCBA w różnych gałęziach przemysłu

1) Elektronika użytkowa
◉ Smartfony: Jako typowy przedstawiciel elektroniki użytkowej, smartfony stawiają niezwykle wysokie wymagania w zakresie PCBA. Aby zrealizować wiele funkcji, takich jak połączenia, zdjęcia, gry i płatności mobilne, w ograniczonej przestrzeni musi zostać zintegrowana duża liczba wysokowydajnych komponentów. Na przykład seria telefonów komórkowych iPhone firmy Apple optymalizuje konstrukcję PCBA i wykorzystuje wielowarstwowe płytki obwodów drukowanych o wysokiej gęstości połączeń (HDI) do ścisłego rozmieszczenia wielu komponentów, takich jak procesory, pamięć, moduły aparatów i moduły radiowe, co pozwala uzyskać cienką obudowę i zaawansowane funkcje. Jednocześnie, aby sprostać wymaganiom użytkowników dotyczącym długiej żywotności baterii, konstrukcja PCBA systemu zarządzania baterią jest stale udoskonalana w celu poprawy wydajności ładowania i rozładowywania oraz bezpieczeństwa baterii.
◉ Inteligentne urządzenia domowe: Wraz z rozwojem technologii Internetu Rzeczy (IoT), rynek inteligentnych urządzeń domowych dynamicznie się rozwija. Inteligentne głośniki, kamery, zamki do drzwi i inne produkty są nierozerwalnie związane ze wsparciem technologii PCBA. Biorąc za przykład inteligentne głośniki, rozpoznawanie głosu, przetwarzanie dźwięku, komunikacja bezprzewodowa i inne funkcje są realizowane za pośrednictwem PCBA. Na przykład, inteligentny głośnik Echo firmy Amazon posiada wbudowane, wydajne układy przetwarzania dźwięku oraz moduły komunikacyjne Bluetooth i Wi-Fi, które precyzyjnie rozpoznają polecenia głosowe użytkownika i umożliwiają odtwarzanie muzyki, wyszukiwanie informacji i inne funkcje za pośrednictwem połączenia sieciowego. Inteligentne zamki do drzwi wykorzystują PCBA do rozpoznawania odcisków palców, wprowadzania haseł, odblokowywania drzwi przez Bluetooth i innych funkcji, zapewniając użytkownikom wygodę i bezpieczeństwo w domu.

2) Elektronika samochodowa
◉ System sterowania mocą: System sterowania mocą samochodu, taki jak system zarządzania baterią (BMS) pojazdów elektrycznych i system sterowania silnikiem pojazdów tradycyjnych, opierają się na wysoce precyzyjnej i niezawodnej PCBA. BMS jest odpowiedzialny za monitorowanie napięcia, prądu, temperatury i innych parametrów akumulatora, kontrolowanie procesu ładowania i rozładowywania akumulatora oraz zapewnienie bezpiecznej i wydajnej pracy akumulatora. Na przykład BMS samochodów Tesla wykorzystuje zaawansowaną konstrukcję PCBA i algorytmy do dokładnego zarządzania tysiącami ogniw akumulatora i poprawy żywotności i wydajności akumulatora. System sterowania silnikiem wykorzystuje PCBA do precyzyjnej kontroli parametrów silnika, takich jak wtrysk paliwa i zapłon, poprawiając osiągi silnika i oszczędność paliwa.
◉ System automatycznego wspomagania jazdy: Wraz z rozwojem technologii autonomicznej jazdy, systemy automatycznego wspomagania jazdy (ADAS) cieszą się coraz większym zainteresowaniem. Systemy ADAS obejmują różnorodne urządzenia, takie jak kamery, radary, czujniki itp., które gromadzą, przetwarzają i przesyłają dane za pośrednictwem PCBA. Na przykład układ DRIVE Orin firmy NVIDIA integruje potężną moc obliczeniową i zaawansowane algorytmy sztucznej inteligencji. Łączy się on z różnymi czujnikami za pośrednictwem PCBA, aby umożliwić percepcję i analizę otoczenia pojazdu w czasie rzeczywistym oraz zapewnić wsparcie decyzyjne w zakresie autonomicznej jazdy.

3) Kontrola przemysłowa
◉ Urządzenia automatyki przemysłowej: W produkcji przemysłowej urządzenia automatyki przemysłowej są szeroko stosowane w różnych dziedzinach. Na przykład sterowniki PLC (programowalne sterowniki logiczne), falowniki, serwonapędy i inne urządzenia mogą precyzyjnie sterować procesami produkcji przemysłowej za pośrednictwem PCBA. Na przykład sterowniki PLC serii S7 firmy Siemens charakteryzują się modułową konstrukcją i umożliwiają komunikację oraz współpracę między różnymi modułami funkcjonalnymi za pośrednictwem PCBA. Umożliwiają one automatyczne sterowanie liniami produkcyjnymi zgodnie z różnymi wymaganiami procesu produkcyjnego, poprawiając wydajność produkcji i jakość produktu.
◉ System sterowania robotem: Roboty są coraz częściej wykorzystywane w produkcji przemysłowej, logistyce, dystrybucji, chirurgii medycznej i innych dziedzinach. System sterowania robotem wykorzystuje PCBA do sterowania ruchem robota, rozpoznawania obrazu, percepcji siły i innych funkcji. Na przykład, system sterowania robotem przemysłowym FANUC wykorzystuje wysokowydajną PCBA i zaawansowane algorytmy, aby zapewnić precyzyjne sterowanie ruchem robota i wykonywanie złożonych zadań, zapewniając wydajne i elastyczne rozwiązania dla produkcji przemysłowej.

3. Przyszłe trendy rozwoju rozwiązań PCBA

1) Inteligencja i automatyzacja
◉ Zastosowanie inteligentnych technologii produkcyjnych: W przyszłości produkcja płytek PCBA będzie bardziej inteligentna i zautomatyzowana. Dzięki wprowadzeniu technologii takich jak sztuczna inteligencja (AI) i uczenie maszynowe (ML), możliwe będzie monitorowanie i optymalizacja procesu produkcyjnego w czasie rzeczywistym. Przykładowo, algorytmy AI służą do analizy danych produkcyjnych, przewidywania awarii sprzętu i problemów jakościowych oraz podejmowania działań zapobiegawczych i rozwiązujących je z wyprzedzeniem. Jednocześnie zautomatyzowane linie produkcyjne staną się coraz popularniejsze. Zastosowanie urządzeń takich jak w pełni automatyczne drukarki pasty lutowniczej, szybkie maszyny do nakładania pasty lutowniczej i inteligentne roboty znacznie poprawi wydajność produkcji i jakość produktów, a także zmniejszy wpływ czynnika ludzkiego na produkcję.
Inteligentne projektowanie PCBA: Na etapie projektowania, z wykorzystaniem technologii sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML), realizowany jest inteligentny projekt PCBA. Przykładowo, na podstawie wymagań funkcjonalnych i wskaźników wydajności produktu, automatycznie generowany jest optymalny układ płytki drukowanej i schemat doboru komponentów. Jednocześnie, dzięki technologii wirtualnej symulacji, wydajność PCBA jest przewidywana i optymalizowana, a błędy projektowe i powtarzające się modyfikacje ulegają redukcji, a cykl rozwoju produktu ulega skróceniu.

2) Miniaturyzacja i integracja
◉ Dalsza miniaturyzacja komponentów: Ponieważ produkty elektroniczne mają coraz wyższe wymagania dotyczące objętości i wagi, trend miniaturyzacji komponentów będzie się nadal rozwijał. Na przykład technologia obudów układów scalonych będzie się nadal rozwijać, od tradycyjnych obudów QFP (quad flat) i BGA do bardziej zminiaturyzowanych obudów CSP (chip size package) i WLCSP (wafer level chip size package). Jednocześnie elementy pasywne, takie jak rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne itp., będą nadal zmniejszać swoje rozmiary i poprawiać integrację.
Zastosowanie technologii SiP (system-level packing): Technologia SiP pozwala na integrację wielu układów scalonych i komponentów o różnych funkcjach w jednym pakiecie, aby osiągnąć funkcje systemowe. Na przykład słuchawki AirPods Pro firmy Apple wykorzystują technologię SiP do integracji układów Bluetooth, układów przetwarzania dźwięku, czujników itp., co znacznie zmniejsza rozmiar słuchawek, jednocześnie poprawiając wydajność i niezawodność systemu. W przyszłości technologia SiP będzie stosowana w większej liczbie dziedzin, promując rozwój produktów elektronicznych w kierunku miniaturyzacji i integracji.

3) Zielona ochrona środowiska i zrównoważony rozwój
◉ Zastosowanie materiałów przyjaznych dla środowiska: Wraz ze wzrostem świadomości ekologicznej, produkcja PCBA będzie wykorzystywać bardziej przyjazne dla środowiska materiały. Na przykład, w przypadku podłoży płytek drukowanych, należy rozwijać materiały biodegradowalne i niskoemisyjne; w przypadku lutowia, należy dodatkowo zoptymalizować wydajność lutowia bezołowiowego, aby zmniejszyć wpływ na środowisko. Jednocześnie należy wzmocnić recykling i przetwarzanie odpadów elektronicznych w celu osiągnięcia recyklingu zasobów.
◉ Proces produkcji energooszczędny i redukujący emisję: Optymalizacja procesu produkcji PCBA w celu zmniejszenia zużycia energii i emisji zanieczyszczeń. Na przykład, wdrożenie niskotemperaturowego procesu spawania, optymalizacja systemu zarządzania energią urządzeń i inne działania mające na celu osiągnięcie celu oszczędzania energii i redukcji emisji. Jednocześnie promowanie koncepcji ekologicznej produkcji, uwzględnianie czynników środowiskowych w całym cyklu życia produktu, od projektu, przez produkcję, po użytkowanie, w celu osiągnięcia zrównoważonego rozwoju.

Jako kluczowa technologia w dziedzinie elektroniki, rozwiązania PCBA odgrywają istotną rolę w promowaniu rozwoju różnych branż. Dzięki ciągłym innowacjom i optymalizacji doboru materiałów, procesu montażu, kontroli jakości i innych technologii, a także dostosowaniu do trendów rozwojowych, takich jak inteligencja, miniaturyzacja i ekologiczna ochrona środowiska, technologia PCBA zapewni silniejsze wsparcie dla rozwoju przyszłych produktów elektronicznych i zaspokoi rosnące zapotrzebowanie konsumentów na wydajne, wielofunkcyjne i przyjazne dla środowiska produkty elektroniczne.