Análise aprofundada de soluções PCBA: inovação tecnológica e perspectivas da indústria

1. Análise da tecnologia de núcleo PCBA

1) Seleção e otimização de materiais

◉ Substrato da placa de circuito: Diferentes cenários de aplicação apresentam diferentes requisitos para o substrato da placa de circuito. Por exemplo, na área de comunicações de alta frequência, como equipamentos de estação base 5G, é necessário o uso de materiais de alta frequência com baixa constante dielétrica e baixas perdas, como as placas de alta frequência da Rogers, para reduzir as perdas na transmissão do sinal e garantir uma transmissão de sinal estável e de alta velocidade. Em alguns setores de eletrônicos de consumo sensíveis ao custo, como relógios inteligentes e fones de ouvido sem fio, os materiais FR-4 tornaram-se uma escolha comum devido ao seu alto desempenho em termos de custo.

◉ Solda: Com a melhoria dos requisitos de proteção ambiental, a solda sem chumbo tornou-se a principal opção. Entre elas, as ligas SAC (Sn-Ag-Cu) são atualmente as soldas sem chumbo mais utilizadas. Por exemplo, a SAC305 (Sn96,5Ag3,0Cu0,5) apresenta bom desempenho de soldagem e boas propriedades mecânicas. No entanto, para reduzir ainda mais a taxa de vazios da solda, algumas novas ligas com baixo teor de vazios continuam a surgir, como as ligas SAC com traços de Bi, Ni, Sb e outros elementos, que podem refinar os grãos, reduzir a viscosidade do fundido e reduzir efetivamente a geração de vazios.

◉ Componentes: A miniaturização e o alto desempenho dos componentes eletrônicos são tendências importantes no desenvolvimento de PCBA. Tomando como exemplo os chips, desde os primeiros circuitos integrados de grande porte até os chips nanométricos atuais, como os chips da série M da Apple, a tecnologia de processo avançada é utilizada para integrar bilhões de transistores em um tamanho extremamente pequeno, alcançando grande poder de computação e baixo consumo de energia. Ao mesmo tempo, para atender às necessidades de diferentes cenários de aplicação, diversos novos componentes continuam a surgir, como dispositivos de alta tensão e alta corrente, sensores de baixa potência adequados para dispositivos IoT, etc.

2) Processo de montagem e controle de qualidade

◉ SMT (tecnologia de montagem em superfície): Este é o processo de montagem mais comumente utilizado para PCBA. No processo SMT, a impressão precisa da pasta de solda é fundamental. Ao otimizar o design da abertura da malha de aço e a pressão do raspador, é possível garantir que a pasta de solda seja impressa de forma uniforme e precisa na placa de circuito, reduzindo o colapso da pasta de solda causado por defeitos de soldagem. Por exemplo, o uso de malha de aço ultrafina cortada a laser pode obter uma impressão mais delicada da pasta de solda e melhorar a qualidade da soldagem de componentes minúsculos. A curva de temperatura da soldagem por refluxo também precisa ser rigorosamente controlada. De acordo com os diferentes componentes e características da solda, parâmetros como taxa de aquecimento, tempo de espera e temperatura de pico são ajustados para garantir a confiabilidade das juntas de solda.

◉ DIP (tecnologia de inserção através de furos): Embora sua aplicação em produtos eletrônicos miniaturizados esteja diminuindo gradualmente, ainda é indispensável em alguns produtos com altos requisitos de potência e confiabilidade, como módulos de potência, placas de controle industriais, etc. No processo DIP, os pinos dos componentes são inseridos nos furos passantes da placa de circuito e fixados por solda por onda ou solda manual. Para melhorar a qualidade da soldagem, a seleção do fluxo, a temperatura de pré-aquecimento e o tempo de soldagem precisam ser rigorosamente controlados.

◉ Inspeção e controle de qualidade: A inspeção de qualidade do PCBA abrange todo o processo de produção. Os métodos de inspeção comuns incluem AOI (inspeção óptica automática), inspeção por raios X e ICT (teste em circuito). A AOI pode detectar rapidamente defeitos superficiais, como componentes ausentes, offset, curto-circuitos, etc. na placa de circuito; a inspeção por raios X pode detectar problemas como vazios e juntas de solda fria dentro das juntas de solda, especialmente para placas de circuito multicamadas e componentes encapsulados BGA (matriz de grade de esferas), que desempenham um papel importante na inspeção; o ICT pode detectar completamente se a placa de circuito funciona normalmente, realizando testes de desempenho elétrico nos componentes da placa de circuito. Ao estabelecer um sistema completo de gestão da qualidade, o monitoramento e a análise em tempo real dos dados no processo de produção podem ser realizados para descobrir e solucionar prontamente problemas de qualidade e garantir a estabilidade da qualidade do PCBA.

2. Aplicação de soluções de PCBA em diversos setores

1) Eletrônicos de consumo
◉ Smartphones: Como um representante típico de eletrônicos de consumo, os smartphones têm requisitos extremamente altos para PCBA. Um grande número de componentes de alto desempenho precisa ser integrado em um espaço limitado para realizar múltiplas funções, como chamadas, fotos, jogos e pagamentos móveis. Por exemplo, a série de celulares iPhone da Apple otimiza o design do PCBA e usa placas de circuito de interconexão de alta densidade (HDI) multicamadas para organizar de perto muitos componentes, como processadores, memória, módulos de câmera e módulos de radiofrequência, alcançando um design de corpo fino e funções poderosas. Ao mesmo tempo, para atender à demanda dos usuários por longa duração da bateria, o design do PCBA do sistema de gerenciamento de bateria está constantemente inovando para melhorar a eficiência de carga e descarga e a segurança da bateria.
◉ Dispositivos domésticos inteligentes: Com o desenvolvimento da tecnologia da Internet das Coisas, o mercado de dispositivos domésticos inteligentes cresceu rapidamente. Alto-falantes inteligentes, câmeras inteligentes, fechaduras inteligentes e outros produtos são inseparáveis ​​do suporte da tecnologia PCBA. Tomando os alto-falantes inteligentes como exemplo, reconhecimento de voz, processamento de áudio, comunicação sem fio e outras funções são realizadas por meio do PCBA. Por exemplo, o alto-falante inteligente Echo da Amazon possui chips de processamento de áudio de alto desempenho integrados e módulos de comunicação Bluetooth e Wi-Fi, que podem reconhecer com precisão os comandos de voz do usuário e realizar reprodução de música, consulta de informações e outras funções por meio de conexão de rede. As fechaduras inteligentes utilizam PCBA para realizar reconhecimento de impressão digital, entrada de senha, desbloqueio Bluetooth e outras funções, proporcionando aos usuários uma experiência doméstica conveniente e segura.

2) Eletrônica automotiva
◉ Sistema de controle de potência: O sistema de controle de potência do carro, como o sistema de gerenciamento de bateria (BMS) de veículos elétricos e o sistema de controle do motor de veículos movidos a combustível tradicional, dependem de PCBA de alta precisão e confiabilidade. O BMS é responsável por monitorar a tensão, a corrente, a temperatura e outros parâmetros da bateria, controlando o processo de carga e descarga da bateria e garantindo sua operação segura e eficiente. Por exemplo, o BMS dos carros Tesla utiliza design e algoritmos avançados de PCBA para gerenciar com precisão milhares de células da bateria e melhorar sua vida útil e desempenho. O sistema de controle do motor utiliza PCBA para obter controle preciso dos parâmetros do motor, como injeção de combustível e tempo de ignição, melhorando o desempenho de potência e a economia de combustível do motor.
◉ Sistema de Assistência Automática à Condução: Com o desenvolvimento da tecnologia de condução autônoma, o sistema de assistência automática à condução (ADAS) de automóveis tem recebido cada vez mais atenção. O ADAS inclui uma variedade de dispositivos, como câmeras, radares, sensores, etc., que coletam, processam e transmitem dados por meio de PCBA. Por exemplo, o chip DRIVE Orin da NVIDIA integra um poderoso poder de computação e algoritmos avançados de IA. Ele se conecta a vários sensores por meio de PCBA para realizar a percepção e a análise em tempo real do ambiente ao redor do veículo e fornecer suporte à decisão para a condução autônoma.

3) Controle Industrial
◉ Equipamentos de Automação Industrial: Na produção industrial, os equipamentos de automação industrial são amplamente utilizados em diversos campos. Por exemplo, CLPs (Controladores Lógicos Programáveis), inversores, servoacionamentos e outros equipamentos podem realizar o controle preciso dos processos de produção industrial por meio de PCBA. Por exemplo, o CLP da série S7 da Siemens adota design modular e realiza a comunicação e o trabalho colaborativo entre diferentes módulos funcionais por meio de PCBA. Ele pode realizar o controle automático das linhas de produção de acordo com os diferentes requisitos do processo de produção, melhorando a eficiência da produção e a qualidade do produto.
◉ Sistema de Controle de Robôs: Robôs são cada vez mais utilizados na produção industrial, distribuição logística, cirurgia médica e outras áreas. O sistema de controle de robôs utiliza PCBA para realizar o controle de movimento, reconhecimento visual, percepção de força e outras funções do robô. Por exemplo, o sistema de controle de robôs industriais da FANUC utiliza PCBA de alto desempenho e algoritmos avançados para obter controle de movimento de alta precisão do robô e a execução de tarefas complexas, fornecendo soluções eficientes e flexíveis para a produção industrial.

3. Tendência de desenvolvimento futuro de soluções de PCBA

1) Inteligência e automação
◉ Aplicação de tecnologia de manufatura inteligente: No futuro, a produção de PCBA será mais inteligente e automatizada. Com a introdução de tecnologias como inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML), o monitoramento e a otimização do processo de produção em tempo real podem ser alcançados. Por exemplo, algoritmos de IA são usados ​​para analisar dados de produção, prever falhas de equipamentos e problemas de qualidade e tomar medidas antecipadas para preveni-los e solucioná-los. Ao mesmo tempo, linhas de produção automatizadas se tornarão mais populares. A aplicação de equipamentos como impressoras de pasta de solda totalmente automáticas, máquinas de colocação de alta velocidade e robôs inteligentes aumentará significativamente a eficiência da produção e a qualidade do produto, além de reduzir o impacto de fatores humanos na produção.
Projeto inteligente de PCBA: Na fase de projeto, com o auxílio da tecnologia de IA e ML, o projeto inteligente de PCBA é realizado. Por exemplo, de acordo com os requisitos funcionais e indicadores de desempenho do produto, o layout ideal da placa de circuito e o esquema de seleção de componentes são gerados automaticamente. Ao mesmo tempo, por meio da tecnologia de simulação virtual, o desempenho do PCBA é previsto e otimizado, erros de projeto e modificações repetidas são reduzidos e o ciclo de desenvolvimento do produto é encurtado.

2) Miniaturização e integração
◉ Miniaturização adicional de componentes: À medida que os produtos eletrônicos exigem cada vez mais volume e peso, a tendência de miniaturização de componentes continuará a se desenvolver. Por exemplo, a tecnologia de encapsulamento de chips continuará a inovar, desde os tradicionais QFP (quad flat package) e BGA até os mais miniaturizados CSP (chip size package) e WLCSP (wafer level chip size package). Ao mesmo tempo, componentes passivos como resistores, capacitores, indutores, etc., continuarão a diminuir de tamanho e a melhorar a integração.
Aplicação da tecnologia de encapsulamento em nível de sistema (SiP): A tecnologia SiP permite integrar múltiplos chips e componentes com diferentes funções em um único encapsulamento para alcançar funções em nível de sistema. Por exemplo, os fones de ouvido AirPods Pro da Apple utilizam a tecnologia SiP para integrar chips Bluetooth, chips de processamento de áudio, sensores, etc., o que reduz significativamente o tamanho dos fones de ouvido e, ao mesmo tempo, melhora o desempenho e a confiabilidade do sistema. No futuro, a tecnologia SiP será aplicada em mais áreas, promovendo o desenvolvimento de produtos eletrônicos rumo à miniaturização e à integração.

3) Proteção ambiental verde e desenvolvimento sustentável
◉ Aplicação de materiais ecologicamente corretos: Com o aumento da conscientização ambiental, a produção de PCBA utilizará materiais mais ecologicamente corretos. Por exemplo, em termos de substratos para placas de circuito, desenvolver materiais degradáveis ​​e de baixa poluição; em termos de solda, otimizar ainda mais o desempenho da solda sem chumbo para reduzir o impacto ambiental. Ao mesmo tempo, fortalecer a reciclagem e o tratamento de resíduos eletrônicos para alcançar a reciclagem de recursos.
◉ Processo de produção com economia de energia e redução de emissões: Otimize o processo de produção de PCBA para reduzir o consumo de energia e as emissões de poluentes. Por exemplo, adote o processo de soldagem em baixa temperatura, otimize o sistema de gerenciamento de energia dos equipamentos e outras medidas para atingir a meta de conservação de energia e redução de emissões. Ao mesmo tempo, promova o conceito de manufatura verde, considere os fatores ambientais em todo o ciclo de vida do produto, desde o design e a produção até o uso, e alcance o desenvolvimento sustentável.

Como tecnologia-chave no campo da tecnologia eletrônica, as soluções PCBA desempenham um papel importante na promoção do desenvolvimento de diversos setores. Por meio da inovação contínua e da otimização da seleção de materiais, do processo de montagem, do controle de qualidade e de outras tecnologias, além da adaptação a tendências de desenvolvimento como inteligência, miniaturização e proteção ambiental sustentável, a tecnologia PCBA fornecerá um suporte mais sólido para o desenvolvimento de futuros produtos eletrônicos e atenderá à crescente demanda da população por produtos eletrônicos de alto desempenho, multifuncionais e ecologicamente corretos.