Углубленный анализ решений PCBA: технологические инновации и перспективы отрасли

1. Анализ технологии сердечника печатной платы

1) Выбор и оптимизация материалов

◉ Подложка печатной платы: Различные сценарии применения предъявляют различные требования к подложке печатной платы. Например, в области высокочастотной связи, такой как оборудование базовых станций 5G, необходимо использовать высокочастотные материалы с низкой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями, такие как высокочастотные платы Rogers, для снижения потерь при передаче сигнала и обеспечения высокоскоростной и стабильной передачи. В некоторых областях потребительской электроники, чувствительных к стоимости, таких как умные часы и беспроводные наушники, материалы FR-4 стали распространённым выбором благодаря своей высокой стоимости.

◉ Припой: С повышением требований к защите окружающей среды бессвинцовые припои стали пользоваться всё большей популярностью. Среди них наиболее широко используются сплавы SAC (Sn-Ag-Cu). Например, SAC305 (Sn96,5Ag3,0Cu0,5) обладает хорошими сварочными и механическими свойствами. Однако для дальнейшего снижения пористости припоя продолжают появляться новые малопористые сплавы, например, сплавы SAC со следовыми количествами Bi, Ni, Sb и других элементов, которые могут измельчать зерно, снижать вязкость расплава и эффективно препятствовать образованию пор.

◉ Компоненты: Миниатюризация и повышение производительности электронных компонентов являются важными тенденциями в развитии печатных плат (PCBA). Например, от первых крупногабаритных интегральных схем до современных наноразмерных микросхем, таких как микросхемы серии M от Apple, передовые технологии производства позволяют интегрировать миллиарды транзисторов в очень компактные размеры, обеспечивая высокую вычислительную мощность и низкое энергопотребление. В то же время, для удовлетворения потребностей различных сценариев применения, продолжают появляться новые компоненты, такие как высоковольтные и сильноточные силовые устройства, маломощные датчики, подходящие для устройств Интернета вещей, и т. д.

2) Процесс сборки и контроль качества

◉ SMT (технология поверхностного монтажа): Это наиболее распространённый процесс сборки печатных плат. В этом процессе точная печать паяльной пасты является ключевым фактором. Оптимизация конструкции отверстий стальной сетки и давления скребка обеспечивает равномерное и точное нанесение паяльной пасты на печатную плату, уменьшая её разрушение из-за дефектов сварки. Например, использование сверхтонкой стальной сетки, вырезанной лазером, позволяет добиться более точной печати паяльной пасты и улучшить качество сварки мелких компонентов. Температурная кривая пайки оплавлением припоя также должна строго контролироваться. В зависимости от различных компонентов и характеристик припоя такие параметры, как скорость нагрева, время выдержки и пиковая температура, корректируются для обеспечения надёжности паяных соединений.

◉ DIP (технология сквозной установки): Хотя её применение в миниатюрных электронных изделиях постепенно сокращается, она по-прежнему незаменима в некоторых изделиях с высокими требованиями к мощности и надёжности, таких как силовые модули, промышленные платы управления и т. д. При DIP-технологии выводы компонентов вставляются в сквозные отверстия печатной платы и фиксируются пайкой волной припоя или ручной пайкой. Для повышения качества сварки необходимо строго контролировать выбор флюса, температуру предварительного подогрева и время сварки.

◉ Проверка и контроль качества: Проверка качества печатных плат (PCBA) осуществляется на протяжении всего производственного процесса. К распространенным методам проверки относятся AOI (автоматическая оптическая инспекция), рентгеновский контроль и ICT (внутрисхемное тестирование). AOI позволяет быстро обнаружить поверхностные дефекты, такие как отсутствующие компоненты, смещение, короткие замыкания и т. д. на печатной плате; рентгеновский контроль позволяет обнаружить такие проблемы, как пустоты и холодные паяные соединения внутри паяных соединений, особенно для многослойных печатных плат и компонентов в корпусе BGA (матрица шариковых выводов), что играет важную роль в инспекции; ICT позволяет полностью определить, нормально ли функционирует печатная плата, проводя испытания электрических характеристик компонентов на печатной плате. Благодаря созданию комплексной системы управления качеством можно осуществлять мониторинг и анализ данных в режиме реального времени в процессе производства для оперативного выявления и решения проблем качества и обеспечения стабильности качества PCBA.

2. Применение решений PCBA в различных отраслях промышленности

1) Бытовая электроника
◉ Смартфоны: Как типичный представитель потребительской электроники, смартфоны предъявляют чрезвычайно высокие требования к печатным платам (PCBA). Для реализации множества функций, таких как звонки, фотосъёмка, игры и мобильные платежи, необходимо интегрировать большое количество высокопроизводительных компонентов в ограниченное пространство. Например, в серии мобильных телефонов iPhone от Apple оптимизирована конструкция PCBA и используются многослойные платы с высокой плотностью межсоединений (HDI) для плотного размещения множества компонентов, таких как процессоры, память, модули камеры и радиочастотные модули, что позволяет добиться тонкого корпуса и мощного функционала. В то же время, чтобы удовлетворить потребность пользователей в длительном времени автономной работы, конструкция PCBA системы управления аккумулятором постоянно совершенствуется для повышения эффективности зарядки и разрядки, а также безопасности аккумулятора.
◉ Устройства для умного дома: С развитием технологий Интернета вещей рынок устройств для умного дома стремительно растёт. Умные колонки, умные камеры, умные дверные замки и другие продукты неотделимы от поддержки технологии PCBA. Например, распознавание голоса, обработка звука, беспроводная связь и другие функции реализованы через PCBA. Например, умная колонка Echo от Amazon оснащена встроенными высокопроизводительными чипами обработки звука и модулями связи Bluetooth и Wi-Fi, которые могут точно распознавать голосовые команды пользователя и воспроизводить музыку, запрашивать информацию и выполнять другие функции через сетевое подключение. Умные дверные замки используют PCBA для распознавания отпечатков пальцев, ввода пароля, разблокировки Bluetooth и других функций, обеспечивая пользователям удобный и безопасный домашний опыт.

2) Автомобильная электроника
◉ Система управления питанием: Система управления питанием автомобиля, такая как система управления аккумуляторной батареей (BMS) электромобилей и система управления двигателем автомобилей на традиционном топливе, все опираются на высокоточные и высоконадежные печатные платы (PCBA). BMS отвечает за мониторинг напряжения, тока, температуры и других параметров аккумуляторной батареи, управление процессами зарядки и разрядки аккумуляторной батареи, а также обеспечение ее безопасной и эффективной работы. Например, BMS автомобилей Tesla использует передовую конструкцию и алгоритмы печатных плат для точного управления тысячами ячеек аккумуляторной батареи и увеличения срока службы и производительности аккумуляторной батареи. Система управления двигателем использует PCBA для точного управления параметрами двигателя, такими как впрыск топлива и момент зажигания, что улучшает его мощность и экономичность.
◉ Система помощи водителю: С развитием технологий автономного вождения система помощи водителю (ADAS) в автомобилях привлекает всё больше внимания. ADAS включает в себя различные устройства, такие как камеры, радары, датчики и т. д., которые осуществляют сбор, обработку и передачу данных через печатную плату (PCBA). Например, чип NVIDIA DRIVE Orin сочетает в себе высокую вычислительную мощность и передовые алгоритмы искусственного интеллекта. Он подключается к различным датчикам через PCBA для восприятия и анализа окружающей среды в режиме реального времени и поддержки принятия решений для автономного вождения.

3) Промышленный контроль
◉ Оборудование промышленной автоматизации: Оборудование промышленной автоматизации широко используется в различных областях промышленного производства. Например, ПЛК (программируемый логический контроллер), инверторы, сервоприводы и другое оборудование могут осуществлять точное управление промышленными производственными процессами с помощью печатных плат. Например, ПЛК серии S7 от Siemens имеет модульную конструкцию и обеспечивает связь и совместную работу различных функциональных модулей посредством печатных плат. Они позволяют осуществлять автоматическое управление производственными линиями в соответствии с различными требованиями к производственному процессу, повышая эффективность производства и качество продукции.
◉ Система управления роботом: Роботы всё чаще используются в промышленном производстве, логистике, медицинской хирургии и других областях. Система управления роботом использует печатные платы (PCBA) для реализации управления движением робота, визуального распознавания, восприятия силы и других функций. Например, система управления промышленным роботом FANUC использует высокопроизводительные печатные платы (PCBA) и передовые алгоритмы для достижения высокоточного управления движением робота и выполнения сложных задач, предлагая эффективные и гибкие решения для промышленного производства.

3. Тенденции будущего развития решений PCBA

1) Интеллект и автоматизация
◉ Применение интеллектуальных производственных технологий: В будущем производство печатных плат станет более интеллектуальным и автоматизированным. Внедрение таких технологий, как искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МО), позволит осуществлять мониторинг и оптимизацию производственного процесса в режиме реального времени. Например, алгоритмы ИИ используются для анализа производственных данных, прогнозирования сбоев оборудования и проблем с качеством, а также для заблаговременного принятия мер по их предотвращению и решению. В то же время, всё большую популярность приобретут автоматизированные производственные линии. Применение такого оборудования, как полностью автоматические принтеры для нанесения паяльной пасты, высокоскоростные машины для нанесения паяльной пасты и интеллектуальные роботы, значительно повысит эффективность производства и качество продукции, а также снизит влияние человеческого фактора на производство.
Интеллектуальное проектирование печатных плат: на этапе проектирования с помощью технологий искусственного интеллекта и машинного обучения реализуется интеллектуальное проектирование печатных плат. Например, в соответствии с функциональными требованиями и эксплуатационными характеристиками изделия автоматически формируется оптимальная компоновка печатной платы и схема выбора компонентов. В то же время, благодаря технологии виртуального моделирования, производительность печатных плат прогнозируется и оптимизируется, снижается количество ошибок проектирования и количество повторных модификаций, а также сокращается цикл разработки изделия.

2) Миниатюризация и интеграция
◉ Дальнейшая миниатюризация компонентов: Поскольку электронные изделия предъявляют всё более высокие требования к объёму и весу, тенденция к миниатюризации компонентов будет продолжать развиваться. Например, технологии корпусирования микросхем продолжат совершенствоваться: от традиционных корпусов QFP (квадратный плоский корпус) и BGA к более миниатюрным корпусам CSP (корпус размером с кристалл) и WLCSP (корпус размером с пластину). В то же время пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т. д., продолжат уменьшаться в размерах и улучшать интеграцию.
Применение технологии системной упаковки (SiP): технология SiP позволяет интегрировать несколько микросхем и компонентов с различными функциями в один корпус для реализации функций системного уровня. Например, в наушниках AirPods Pro от Apple используется технология SiP для интеграции чипов Bluetooth, аудиопроцессоров, датчиков и т. д., что значительно уменьшает размер наушников, одновременно повышая производительность и надежность системы. В будущем технология SiP найдет применение в более широком спектре областей, способствуя развитию электронных продуктов в сторону миниатюризации и интеграции.

3) Зеленая охрана окружающей среды и устойчивое развитие
◉ Применение экологически чистых материалов: С повышением экологической сознательности производство печатных плат будет использовать более экологически чистые материалы. Например, для подложек печатных плат необходимо разработать разлагаемые и экологически чистые материалы; для припоев – оптимизировать характеристики бессвинцовых припоев для снижения воздействия на окружающую среду. Одновременно необходимо усилить переработку и утилизацию электронных отходов для обеспечения вторичного использования ресурсов.
◉ Энергосберегающий производственный процесс с сокращением выбросов: Оптимизация процесса производства печатных плат для снижения энергопотребления и выбросов загрязняющих веществ. Например, внедрение низкотемпературной сварки, оптимизация системы управления энергопотреблением оборудования и другие меры для достижения цели энергосбережения и сокращения выбросов. Одновременно с этим необходимо продвигать концепцию экологичного производства, учитывать экологические факторы на протяжении всего жизненного цикла продукта, от проектирования и производства до эксплуатации, и добиваться устойчивого развития.

Будучи ключевой технологией в области электронных технологий, решения на основе печатных плат играют важную роль в развитии различных отраслей. Благодаря постоянным инновациям и оптимизации выбора материалов, процесса сборки, контроля качества и других технологий, а также адаптации к таким тенденциям развития, как интеллектуальность, миниатюризация и экологичность, технология печатных плат обеспечит более эффективную поддержку разработки электронных продуктов будущего и удовлетворит растущий спрос на высокопроизводительные, многофункциональные и экологически чистые электронные продукты.