通孔组装：现代 PCB 的传统技术

尽管通孔组装起源于电子产品的早期，但它在现代 PCB 制造中继续发挥着至关重要的作用，将传统方法与尖端创新相结合。本博客探讨了通孔装配的持久相关性、其工艺、优势和应用，为工程师提供了将这种技术用于当今设计的实用见解。

通孔组件包括将元件引线插入 PCB 上的钻孔，然后将它们焊接到另一侧的焊盘上。这种方法以其强大的机械和电气连接而闻名，在需要耐用性的环境中表现出色，例如汽车、工业和军事系统。让我们深入了解通孔组装的细节、其工艺，以及为什么它仍然是工程师值得信赖的选择。

什么是通孔组件？

通孔组装是一种 PCB 制造工艺，其中将带有引线的电子元件插入板上的预钻孔中。然后将这些引线焊接到导电垫或走线上，从而形成牢固的电气和机械连接。与直接将元件放置在电路板表面的 SMT 不同，通孔元件可以穿透电路板，从而确保在应力下具有更大的稳定性。

该过程可以追溯到 1950 年代，当时 PCB 首次普及。早期的通孔元件，如电阻器和电容器，具有手动插入和焊接的长引线。如今，通孔组件支持各种元件，包括连接器、变压器和高功率半导体，通常用于可靠性大于尺寸限制的应用。

通孔组装工艺

通孔组装过程是有条不紊的，结合了手动和自动技术，以确保精度和可靠性。下面，我们概述了所涉及的关键步骤：

1. PCB 设计和钻孔

该过程从设计 PCB 布局开始，根据元件要求指定通孔的放置。使用高精度 CNC 机器钻孔，直径通常从 0.1 mm 到 6.6 mm 不等，具体取决于元件引线尺寸。例如，标准电阻器引线可能需要 0.8 mm 的孔，而更大的连接器可能需要 2 mm 的孔。钻孔精度对于确保正确对准和避免信号完整性问题至关重要。

2. 元件插入

将组件手动或使用自动插入机插入钻孔中。手动插入通常用于小批量或原型板，而自动化系统（如选择性焊接机）则用于大批量生产。元件必须正确定向，因为未对准的引线会导致电气故障或机械应力。

3. 焊接

焊接将元件引线固定到 PCB。使用两种主要方法：

• 波峰焊：PCB 通过一波熔融焊料，将引线粘合到焊盘上。这对于大批量生产是有效的，但需要仔细控制以防止焊桥。

• 手工焊接：用于原型或小批量运行，手工焊接可提供精度，但非常耗时。熟练的技术人员确保焊点一致，通常达到 5-10 MPa 的焊点强度，具体取决于焊料合金。

4. 检验和测试

焊接后，PCB 经过严格的检查。自动光学检测 （AOI） 系统检查焊点缺陷，例如空洞或不完全粘合，缺陷检出率通常超过 95%。功能测试可验证电气连接性，确保电路板符合设计规范。对于高可靠性应用，X 射线检测可用于检查隐藏的焊点。

通孔组件的优势

通孔组件具有多种优势，使其成为某些应用不可或缺的。以下是主要优势：

1. 卓越的机械强度

穿过 PCB 的元件引线的物理连接提供了卓越的机械稳定性。例如，通孔连接器可以承受高达 100 N 的剪切力，而 SMT 等效连接器可以承受 20-30 N 的剪切力。这使得通孔成为受振动、冲击或热循环影响的元件的理想选择，例如汽车或航空航天系统。

2. 恶劣环境下的高可靠性

通孔接头在极端条件下不易失效。在军事应用中，PCB 可能在 -55°C 至 125°C 的温度下工作，通孔组件可保持可靠的连接，根据 MIL-STD-810 标准，10 年内的故障率低至 0.01%。

3. 易于维修和更换

通孔元件比 SMT 元件更容易拆焊和更换，从而减少维修时间和成本。这在医疗设备等行业中至关重要，因为停机可能会造成严重后果。例如，更换通孔电容器通常需要 2-3 分钟，而更换 SMT 等效电容器则需要 5-10 分钟。

4. 支持大功率组件

由于尺寸和散热需求，变压器或大型电解电容器等大功率元件通常需要通孔组件。这些元件可以处理超过 10 A 的电流或高于 500 V 的电压，因此不适合用于 SMT。

通孔装配的挑战

尽管有其优点，但通孔组件存在工程师必须考虑的局限性：

1. 更大的电路板尺寸

由于钻孔和更大的元件占用空间，通孔元件需要更多空间。与 SMT 设计相比，这可以使电路板尺寸增加 20-30%，使其不太适合智能手机等紧凑型设备。

2. 组装成本较高

该过程是劳动密集型的，尤其是手工焊接，导致成本更高。例如，由于额外的人工和材料要求，组装一个具有 100 个元件的通孔 PCB 可能比 SMT 等价物多花费 50 至 100 美元。

3. 有限的自动化

虽然波峰焊可以自动化大批量生产，但小批量或复杂的电路板通常依赖于手动插入和焊接，从而降低了可扩展性。通孔组装的自动化率通常达到 70-80%，而 SMT 的自动化率为 95%。

通孔组装在现代 PCB 中的应用

通孔组件仍然是可靠性和耐用性至关重要的行业的基石。以下是一些关键应用：

1. 汽车电子

在汽车系统中，PCB 必须承受振动、温度波动和高电流。通孔组件用于电源模块、传感器和连接器，确保在 12–48 V、电流高达 50 A 的发动机控制单元 （ECU） 中实现可靠性能。

2. 航空航天与国防

航空航天 PCB 要求在极端条件下无故障运行。通孔元件（如加固型连接器和大功率电阻器）用于航空电子和卫星系统，其中频率高达 10 GHz 的信号完整性至关重要。

3. 工业设备

重型工业设备，如电机驱动器和电源，依赖于通孔组件来处理高电压（例如 600 V）和电流（例如 20 A）的组件。这些系统需要坚固的连接，以防止在恶劣环境中发生故障。

4. 原型设计和教育

通孔组件因其易于焊接和更换元件而广泛用于 PCB 原型制作和教育环境。业余爱好者和学生通常使用通孔套件，例如 Arduino 板，这些套件使用 2.54 mm 间距的接头来实现可访问性。

通孔装配的现代创新

虽然通孔组装是一种传统技术，但最近的进步提高了其效率和适用性：

1. 选择性焊接

选择性焊接机针对特定的通孔元件，减少电路板上的热应力。这些系统可实现 0.1 mm 以内的焊接精度，从而提高了结合通孔和 SMT 元件的混合技术 PCB 的质量。

2. 无铅焊接

RoHS 等环境法规推动了无铅焊料的采用，例如 SAC305（96.5% 锡、3% 银、0.5% 铜）。这些合金在保持接头强度（约 7 MPa）的同时减少对环境的影响，符合可持续制造趋势。

3. 紧凑的通孔封装

组件制造商已经开发出更小的通孔封装，例如间距为 1.5 mm 的扁平连接器，从而在不牺牲可靠性的情况下实现更密集的设计。这些进步使通孔组装能够在空间受限的应用中与 SMT 竞争。

4. 自动化检测

先进的 AOI 和 X 射线系统改进了缺陷检测，现代机器以 10 μm 的分辨率识别焊点问题。这确保了高可靠性，即使在复杂的通孔组件中也是如此。

集成通孔和 SMT：混合 PCB

许多现代 PCB 将通孔和 SMT 相结合，以利用这两种技术的优势。混合 PCB 将 SMT 用于紧凑、高密度的组件，将通孔用于高功率或机械应力组件。例如，电信板可能将 SMT 用于微芯片，将通孔用于处理 5 GHz 信号的射频连接器。

设计混合 PCB 需要仔细规划以平衡制造过程。工程师必须确保焊接过程中的热分布兼容，因为通孔元件通常需要比 SMT 元件更高的温度（例如，无铅焊接为 260°C）（例如 250°C）。Altium Designer 等高级 PCB 设计软件有助于优化混合装配体的布局，最大限度地减少信号干扰并确保可制造性。

通孔组件的持久价值

通孔组件仍然是 PCB 制造的基石，为耐用性和性能无可争议的应用提供无与伦比的可靠性。虽然 SMT 在紧凑、大批量生产中占主导地位，但通孔的坚固连接和易于维修使其成为汽车、航空航天和工业领域不可或缺的产品。选择性焊接和无铅合金等现代创新进一步提高了其效率，确保了其在当今快节奏的电子行业中的相关性。

通过了解通孔装配的优势和挑战，工程师可以就何时使用这种技术做出明智的决策，无论是独立设计还是在混合设计中使用。凭借其良好的业绩记录和持续的进步，通孔组装继续将传统工艺与现代 PCB 的需求联系起来，为塑造我们世界的设备提供动力。