Планирование смешанной сборки: Инженерное руководство по интеграции SMT и сквозного монтажа

Планирование смешанного монтажа — это стратегическая координация производственных процессов для печатных плат (PCBA), содержащих как компоненты для поверхностного монтажа (SMT), так и компоненты для монтажа в отверстия (THT). В отличие от плат с одной технологией, смешанная технология требует тщательной последовательности для предотвращения термических повреждений, обеспечения надежности паяных соединений и размещения физических приспособлений, таких как паллеты для волновой пайки. Инженеры должны определять запретные зоны, ориентацию компонентов и тепловые профили на ранних этапах проектирования, чтобы избежать дорогостоящих доработок.

В APTPCB (фабрика печатных плат APTPCB) мы видим, что успешный смешанный монтаж в значительной степени зависит от валидации Design for Manufacturing (DFM) до того, как будет установлена первая плата. Это руководство содержит спецификации, контрольные списки и шаги по устранению неполадок, необходимые для реализации надежной стратегии смешанного монтажа.

Краткий ответ по планированию смешанного монтажа (30 секунд)

Если вы разрабатываете плату с компонентами SMT и THT, следуйте этим основным принципам для обеспечения технологичности:

Последовательность процессов: Стандартная иерархия: верхняя сторона SMT (пайка оплавлением) → нижняя сторона SMT (пайка оплавлением/клей) → THT (волновая, селективная или ручная пайка).
Зоны зазора: Поддерживайте минимальный зазор от 3 мм до 5 мм вокруг контактных площадок THT при использовании паллет для волновой пайки, чтобы стенки приспособления могли плотно прилегать к печатной плате.
Ориентация компонентов: Выравнивайте пассивные компоненты SMT перпендикулярно направлению волны, чтобы минимизировать образование перемычек припоя и эффекты затенения.
Тепловая иерархия: Убедитесь, что компоненты THT могут выдерживать кумулятивные тепловые циклы, если они расположены рядом с массивными SMT-деталями.
Ограничения вторичной стороны: Избегайте размещения тяжелых или высоких SMT-компонентов на вторичной стороне (нижней), если эта сторона будет проходить через ванну волновой пайки; они могут отвалиться или потребовать сложного экранирования.
Проверка: Всегда проверяйте "эффект тени", когда крупные THT-детали могут блокировать волну припоя, не давая ей достичь меньших SMT-площадок за ними.

Когда применяется планирование смешанной сборки (и когда нет)

Понимание того, когда следует запускать полный рабочий процесс смешанной сборки, помогает оптимизировать затраты и сроки выполнения.

Когда планирование смешанной сборки критически важно:

Высокомощные приложения: Конструкции, требующие надежных механических разъемов или больших конденсаторов, доступных только в корпусах THT.
Устаревшие компоненты: Проекты, использующие старые интегральные схемы или специфические датчики, не имеющие аналогов для поверхностного монтажа.
Точки механического напряжения: Порты ввода/вывода (USB, Ethernet, разъемы питания), требующие физической прочности сквозного крепления.
Двусторонняя установка: Платы с активными компонентами как на верхней, так и на нижней сторонах, требующие селективной пайки или приспособлений для волновой пайки.

Когда планирование смешанной сборки излишне (или его следует избегать):

Чисто SMT-конструкции: Если все компоненты имеют SMT-альтернативы, придерживайтесь одного процесса оплавления, чтобы снизить затраты и процент брака.
Прототипы малого объема: Для <10 плат ручная пайка THT-компонентов часто более рентабельна, чем проектирование сложных волновых паллет.
Термочувствительные компоненты: Если плата содержит компоненты, которые не выдерживают температуры волновой пайки, смешанный процесс может быть слишком рискованным; предпочтительна ручная или селективная пайка.
Сверхвысокая плотность: Если на плате отсутствует зазор 3-5 мм, необходимый для волновых паллет, конструкция вынуждает переходить на селективную пайку или ручной труд, что меняет объем планирования.

Правила и спецификации планирования смешанной сборки (ключевые параметры и ограничения)

В следующей таблице изложены критические правила проектирования для плат со смешанной технологией. Соблюдение этих значений предотвращает распространенные производственные сбои.

Правило	Рекомендуемое значение/диапазон	Почему это важно	Как проверить	Если проигнорировано
Зазор для волновой паллеты	> 3,0 мм (предпочтительно 5,0 мм)	Позволяет стенкам приспособления герметизировать нижнюю часть печатной платы, не задевая SMT-компоненты.	Проверка расстояния в САПР	SMT-компоненты рядом с THT-площадками будут раздавлены или залиты припоем.
Ориентация SMT-компонентов	Перпендикулярно волне	Уменьшает «затенение», при котором корпус компонента блокирует поток припоя.	Визуальный осмотр / DFM	Разомкнутые соединения или недостаточное количество припоя на задних площадках.
Отвлекающие площадки	1,5x до 2x размера площадки	Оттягивает излишки припоя от последних контактов разъема для предотвращения мостиков.	Проверка Gerber	Мостики припоя на последнем ряду контактов при волновой пайке.
Длина выводов THT	1,5 мм - 2,0 мм (после обрезки)	Предотвращает касание выводов сопла волны или возникновение коротких замыканий.	Физическое измерение	Короткие замыкания или повреждение сопла во время волновой пайки.
Перемычка паяльной маски	> 0,1 мм (4 мил)	Предотвращает образование паяльных мостиков между близко расположенными SMT и THT площадками.	CAM-инжиниринг	Высокая частота образования мостиков, требующая ручной доработки.
Заглушка переходных отверстий (Tented)	100% под BGA/SMT	Предотвращает "кражу" припоя или утечку вакуума во время сборки.	Производственный чертеж	Пустоты в припое или слабые соединения на SMT-компонентах.
Высота компонента (снизу)	< 5,0 мм (для волны)	Высокие компоненты снизу мешают высоте паяльной волны.	Проверка 3D-модели	Компоненты застревают в паяльной ванне; детали отваливаются.
Тепловой барьер	4-лучевое соединение	Обеспечивает удержание тепла в соединении во время пайки без рассеивания в плоскости.	Настройки компоновки	Холодные паяные соединения; невозможность полностью прогреть отверстие.
Реперные знаки	3 с каждой стороны (глобально)	Необходимо для выравнивания машины как для установки SMT, так и для автоматизированной установки THT.	Оптический контроль	Несоосность компонентов; смещения при установке.
Крайние направляющие панелизации	> 5,0 мм ширина	Обеспечивает захват для конвейеров и пальцев волновой пайки.	Чертеж панели	Плата падает в машину или значительно деформируется.

Этапы реализации планирования смешанной сборки (контрольные точки процесса)

Внедрение смешанной сборочной линии требует строгой последовательности для защиты компонентов, обработанных на более ранних этапах.

Сегментация и анализ спецификации (BOM)
- Действие: Разделить спецификацию (BOM) на группы SMT верх, SMT низ и THT.
- Ключевой параметр: Определить влагочувствительные устройства (MSD) и термочувствительные THT-детали.
- Проверка: Убедиться, что ни одна THT-деталь не указана для цикла оплавления, если она не совместима с технологией "Pin-in-Paste".
Проверка посадочного места и компоновки
- Действие: Убедиться, что посадочные места THT имеют адекватные кольцевые площадки и размеры отверстий для проникновения волны.
- Ключевой параметр: Размер отверстия = Диаметр вывода + 0,25 мм (+/- 0,05 мм).
- Проверка: Выполнить DFM-проверку зазоров паллеты для волновой пайки вокруг THT-зон.
Конструкция оснастки и паллеты
- Действие: Разработать документ или CAD-файл введения в оснастку для волновой пайки. Эта оснастка защищает SMT-детали с нижней стороны, одновременно подвергая THT-выводы воздействию волны.
- Ключевой параметр: Толщина стенки минимум 1,5 мм; материал обычно Durostone или синтетический камень.
- Проверка: Смоделировать посадку паллеты, чтобы убедиться в отсутствии помех от SMT-компонентов.
SMT-сборка (первичная и вторичная сторона)
- Действие: Установить и оплавить SMT-компоненты. При двусторонней сборке более тяжелые компоненты обычно устанавливаются на первом проходе (верхняя сторона).
- Ключевой параметр: Пиковая температура профиля оплавления (обычно 245°C - 260°C).

Проверка: Выполните автоматическую оптическую инспекцию (АОИ) для проверки размещения SMT перед началом THT.

Установка компонентов для сквозного монтажа (THT)
- Действие: Установите компоненты THT вручную или с помощью автоматизированных установочных машин.
- Ключевой параметр: Длина выступа вывода и выравнивание полярности.
- Проверка: Визуальный осмотр для обеспечения плотного прилегания компонентов к печатной плате.
Волновая или селективная пайка
- Действие: Пропустите плату (в ее паллете) через машину волновой пайки или используйте робота для селективной пайки.
- Ключевой параметр: Температура припоя в ванне (255°C - 265°C) и время выдержки (2-4 секунды).
- Проверка: Убедитесь, что заполнение отверстий (вертикальное заполнение) соответствует стандартам IPC класса 2 или 3 (обычно 75% или 100%).
Очистка и окончательная проверка
- Действие: Удалите остатки флюса, если использовался водорастворимый флюс; проверьте на наличие шариков припоя.
- Ключевой параметр: Уровни ионного загрязнения.
- Проверка: Рентгеновский контроль, если компоненты THT закрывают контактные площадки SMT или если использовалась технология Pin-in-Paste.

Устранение неполадок при планировании смешанной сборки (режимы отказов и исправления)

Линии смешанных технологий приводят к уникальным дефектам, возникающим при взаимодействии двух процессов.

Симптом: Пропуски пайки (Затенение)

Причина: Большой корпус компонента THT или толстая стенка паллеты блокирует попадание паяльной волны на контактную площадку.
Проверка: Проверьте ориентацию компонента относительно направления волны.
Исправление: Повернуть компонент на 90 градусов или увеличить расстояние между препятствием и контактной площадкой.
Предотвращение: Использовать основы пайки в отверстия для проектирования "отбирающих площадок" (thieving pads) или регулировать турбулентность волны.

Симптом: Отпадение SMT-компонентов с нижней стороны

Причина: Переплавленный припой на SMT-компонентах с нижней стороны повторно плавится во время волнового процесса.
Проверка: Убедитесь, что волновой поддон полностью закрывает эти SMT-компоненты.
Исправление: Нанести клей (красный клей) на SMT-компоненты с нижней стороны перед волновой пайкой или улучшить экранирование поддона.
Предотвращение: Держать SMT-компоненты с нижней стороны на расстоянии не менее 5 мм от THT-отверстий.

Симптом: Холодные паяные соединения на THT

Причина: Тяжелые земляные плоскости рассеивают тепло быстрее, чем волна может его подать.
Проверка: Проверить соединения теплового рельефа на разводке печатной платы.
Исправление: Увеличить время выдержки или температуру предварительного нагрева (осторожно, чтобы избежать повреждения SMT-компонентов).
Предотвращение: Использовать термические спицы на всех земляных контактах на этапе проектирования.

Симптом: Деформация печатной платы

Причина: Тепловое несоответствие между несколькими циклами оплавления и волновой пайкой.
Проверка: Измерить изгиб и скручивание в соответствии со стандартами IPC-610 (<0,75%).
Исправление: Использовать более жесткий материал поддона или добавить усилители платы во время волнового процесса.
Предотвращение: Сбалансировать распределение меди на слоях печатной платы.

Симптом: Мостики припоя на разъемах с мелким шагом

Причина: Вытягивание волной оставляет излишки припоя на последних контактах.
Проверка: Ищите "перемычки" на заднем крае разъема.
Исправление: Вручную устраните перемычки с помощью паяльника и оплетки для удаления припоя.
Предотвращение: Добавьте отводящие площадки (solder thieves) к посадочному месту; ориентируйте разъем параллельно волне.

Как выбрать планирование смешанной сборки (проектные решения и компромиссы)

Принятие решения о конкретной стратегии смешанной сборки включает балансирование объема, стоимости и сложности.

Вариант A: Волновая пайка с паллетами

Лучше всего подходит для: Средне- и крупносерийного производства, где компоненты THT сгруппированы.
Компромисс: Требуются дорогие индивидуальные паллеты (приспособления) и строгие правила зазора (3-5 мм) вокруг THT-деталей.
Критерий выбора: Если у вас >500 плат и THT-детали сгруппированы, выберите этот вариант.

Вариант B: Селективная пайка

Лучше всего подходит для: Плат высокой плотности, где SMT-детали расположены слишком близко к THT-выводам для паллеты.
Компромисс: Более медленное время цикла на плату по сравнению с волновой пайкой; более высокое время программирования машины.
Критерий выбора: Если зазор <3 мм или компоненты высокие с обеих сторон, выберите селективную пайку.

Вариант C: Ручная пайка

Лучше всего подходит для: Прототипов, очень малых объемов или термочувствительных деталей, которые не могут выдержать машинный процесс.
Компромисс: Непостоянное качество (зависит от оператора) и высокая стоимость рабочей силы.
Триггер решения: Если у вас <50 плат или всего 1-2 THT-разъема, ручная сборка часто дешевле, чем оснастка.

Вариант D: Pin-in-Paste (интрузивное оплавление)

Лучше всего для: Полного исключения этапа волновой пайки. THT-компоненты наносятся пастой и оплавляются вместе с SMT.
Компромисс: Требует высокотемпературных THT-компонентов и точного дизайна трафарета для получения достаточного объема припоя.
Триггер решения: Если THT-компоненты совместимы и вы хотите сократить этапы процесса, изучите эту интеграцию SMT и THT.

FAQ по планированию смешанной сборки (DFM)

Как смешанная сборка влияет на общую стоимость проекта? Смешанная сборка, как правило, на 15-30% дороже чистой SMT из-за дополнительных этапов процесса (волновая/селективная пайка), затрат на ручную установку и оснастку.

Каково влияние на сроки выполнения? Обычно это добавляет 2-3 дня к графику производства. Время требуется для изготовления приспособлений (паллет), ручной установки и вторичного процесса пайки.

Могу ли я использовать смешанную сборку для двухсторонних плат? Да, но это требует тщательного планирования. Обычно SMT размещается с обеих сторон (оплавление), а затем паяется THT. Если THT находится с обеих сторон, это часто требует ручной пайки для второй стороны или сложной селективной пайки.

Какие данные мне нужно предоставить для DFM-анализа? Вы должны предоставить Gerber-файлы, спецификацию (BOM), указывающую, какие компоненты являются THT, а какие SMT, а также сборочные чертежи, показывающие полярность компонентов. В частности, выделите все компоненты "Do Not Populate" (DNP).

Каковы критерии приемки для THT-паяных соединений? Согласно IPC-A-610, THT-соединение Класса 2 требует как минимум 75% вертикального заполнения отверстия и 180-градусного смачивания на целевой стороне. Класс 3 требует 270-градусного смачивания.

Почему "селективная пайка" часто рекомендуется вместо волновой пайки? Селективная пайка использует мини-волновую насадку, которая перемещается к определенным точкам. Она устраняет необходимость в дорогих паллетах и снижает тепловой удар для остальной части платы, что делает ее более безопасной для плотных плат со смешанной технологией.

Как предотвратить появление "шариков припоя" при смешанной сборке? Шарики припоя часто возникают при волновой пайке, если предварительный нагрев недостаточен или флюс избыточен. Обеспечение правильного дизайна трафарета для печатных плат для SMT-процесса и корректных параметров волны помогает минимизировать это.

Является ли Pin-in-Paste жизнеспособной альтернативой? Да, но только если корпус THT-компонента может выдерживать температуры оплавления 260°C. Это упрощает процесс, обрабатывая THT-компоненты как SMT-компоненты.

Каков минимальный зазор для паллеты волновой пайки? Обычно требуется от 3 мм до 5 мм свободного пространства вокруг THT-площадок на стороне пайки. Это пространство предназначено для стенки паллеты, которая экранирует соседние SMT-компоненты.

Занимается ли APTPCB проектированием оснастки? Да, инженеры APTPCB проектируют и изготавливают необходимые паллеты для волновой пайки или программы селективной пайки на основе ваших Gerber-файлов.

Рекомендации по DFM: Подробные правила проектирования для расстояний и компоновки.
Монтаж SMT и THT: Обзор наших возможностей в области смешанных технологий.
Селективная пайка: Подробное рассмотрение альтернативы волновой пайке.
Сборка под ключ: Как мы управляем всей цепочкой поставок для смешанных плат.

Глоссарий по планированию смешанной сборки (ключевые термины)

Термин	Определение
Паллета для волновой пайки	Специальное приспособление из термостойкого материала (например, Durostone), которое удерживает печатную плату и защищает SMT-компоненты во время волновой пайки.
Селективная пайка	Процесс, использующий небольшой программируемый паяльный фонтан для пайки определенных THT-соединений без воздействия на соседние SMT-компоненты.
Пайка оплавлением	Процесс плавления паяльной пасты для крепления SMT-компонентов; обычно первый шаг в смешанной сборке.
Экранирование (Shadowing)	Дефект, при котором корпус компонента блокирует поток паяльной волны, вызывая пропуски или незапаянные соединения на контактных площадках за ним.
Отбирающая площадка (Thieving Pad)	Дополнительная фиктивная контактная площадка, добавляемая к концу посадочного места разъема для "отвода" избыточного припоя и предотвращения мостиков.
Технология Pin-in-Paste (PiP)	Метод, при котором компоненты THT паяются с использованием печей оплавления SMT путем нанесения пасты в отверстия.
Кольцевая площадка	Медное кольцо вокруг металлизированного сквозного отверстия; критически важно для прочности соединения THT.
Термобарьер	Лучевой рисунок, соединяющий контактную площадку с медным слоем, предотвращающий слишком быстрое рассеивание тепла во время пайки.
Флюс	Химическое чистящее средство, используемое до и во время пайки для удаления окисления и улучшения смачивания.
Durostone	Прочный стекловолоконный армированный пластик, используемый для изготовления паллет для волновой пайки благодаря своей термической стабильности.

Запросить коммерческое предложение по планированию смешанной сборки (Design for Manufacturing (DFM) + ценообразование)

Получение точного коммерческого предложения для смешанной сборки требует четкого понимания ваших технологических потребностей. В APTPCB мы проводим бесплатный анализ DFM для выявления потенциальных проблем волновой пайки или конфликтов зазоров до ценообразования.

Для получения быстрого и точного коммерческого предложения, пожалуйста, подготовьте:

Файлы Gerber: Включая все медные слои, файлы сверления и слои пасты.
Спецификация (BOM): Четко указывающая детали SMT и THT.
Сборочные чертежи: Выделяющие любые особые требования к монтажу или маскировке.
Объем и сроки выполнения: Ориентировочное годовое использование и требуемая дата поставки.

Заключение: следующие шаги в планировании смешанной сборки

Эффективное планирование смешанной сборки преодолевает разрыв между компактными конструкциями для поверхностного монтажа и надежными требованиями к сквозным отверстиям. Соблюдая строгие правила зазоров, оптимизируя последовательности процессов и используя правильные приспособления, вы можете добиться высоконадежного производства без чрезмерных доработок. Независимо от того, требует ли ваш проект паллеты для волновой пайки или точную селективную пайку, раннее планирование гарантирует, что ваш дизайн готов к производству.