ข้อดีของการประกอบ PCB แบบผสม: การรวมเทคโนโลยี SMT และ THT

การประกอบ PCB แบบผสมผสาน—การผสานรวมเทคโนโลยี Surface Mount Technology (SMT) และ Through-Hole Technology (THT)—ได้กลายเป็นเสาหลักของการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ด้วยการใช้ประโยชน์จากความแม่นยำของ SMT สำหรับส่วนประกอบขนาดกะทัดรัด และความทนทานของ THT สำหรับชิ้นส่วนกำลังสูงหรือทนต่อแรงเค้น แนวทางแบบไฮบริดนี้จึงมอบสมดุลที่หายากของประสิทธิภาพ ความยืดหยุ่น และประสิทธิภาพด้านต้นทุน ตั้งแต่ระบบควบคุมยานยนต์ไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ การประกอบแบบผสมผสานตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของการใช้งานที่ท้าทายที่สุดในปัจจุบัน

คู่มือนี้จะสำรวจว่าทำไมวิศวกรและผู้ผลิตจึงเลือกการประกอบ PCB แบบผสมผสาน ประโยชน์หลักของมันเหนือกว่าแนวทางเทคโนโลยีเดียว การใช้งานจริง และแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการออกแบบและการผลิต ไม่ว่าคุณจะสร้างอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคหรือระบบอุตสาหกรรมที่ทนทาน การทำความเข้าใจการประกอบแบบผสมผสานเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของ PCB และความน่าเชื่อถือของคุณ

ประเด็นสำคัญ
1.การประกอบ PCB แบบผสมผสานรวมความหนาแน่นและความเร็วของ SMT เข้ากับความแข็งแรงและการจัดการพลังงานของ THT ลดอัตราความล้มเหลวในภาคสนามลง 30–40% ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
2.ช่วยให้การออกแบบมีความยืดหยุ่น รองรับทั้งส่วนประกอบ SMT ขนาดเล็ก 01005 และขั้วต่อ THT ขนาดใหญ่ในบอร์ดเดียว โดยมีส่วนประกอบหลากหลายกว่าการประกอบเทคโนโลยีเดียวถึง 50%
3.ประหยัดต้นทุนได้ 15–25% โดยการทำให้ขั้นตอน SMT ปริมาณมากเป็นไปโดยอัตโนมัติ ในขณะที่ใช้ THT เฉพาะเมื่อจำเป็น (เช่น ส่วนประกอบกำลังสูง)
4.อุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยานยนต์ การแพทย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับอุตสาหกรรมพึ่งพาการประกอบแบบผสมผสานเนื่องจากความสามารถในการสร้างสมดุลระหว่างความแม่นยำ ความทนทาน และความสามารถรอบด้าน

การประกอบ PCB แบบผสมผสานคืออะไร
การประกอบ PCB แบบผสมผสานเป็นแนวทางการผลิตที่ผสานรวมสองเทคโนโลยีหลัก:

  ก. Surface Mount Technology (SMT): ส่วนประกอบถูกติดตั้งโดยตรงบนพื้นผิวของ PCB โดยใช้ครีมบัดกรีและเตาอบรีโฟลว์สำหรับการยึดติด
  ข. Through-Hole Technology (THT): ส่วนประกอบมีสายไฟที่เสียบเข้าไปในรูที่เจาะ โดยใช้บัดกรีผ่านการบัดกรีแบบคลื่นหรือการบัดกรีด้วยมือ

การรวมกันนี้ช่วยแก้ไขข้อจำกัดของแต่ละเทคโนโลยีเพียงอย่างเดียว: SMT ทำได้ดีในการย่อขนาดและความเร็ว แต่มีปัญหาเกี่ยวกับชิ้นส่วนกำลังสูงหรือชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงทางกล THT ให้ความทนทานและการจัดการพลังงาน แต่ขาดความหนาแน่น เมื่อรวมกันแล้ว พวกมันจะสร้าง PCB ที่มีทั้งขนาดกะทัดรัดและแข็งแกร่ง

SMT เทียบกับ THT: ความแตกต่างหลัก

การประกอบแบบผสมผสานทำงานอย่างไร
การประกอบแบบผสมผสานรวมเทคโนโลยีเหล่านี้เข้าด้วยกันในเวิร์กโฟลว์เดียว:

1.SMT ก่อน: เครื่องจักรอัตโนมัติวางส่วนประกอบแบบติดตั้งบนพื้นผิว (ตัวต้านทาน, IC, ตัวเก็บประจุขนาดเล็ก) ลงบน PCB
2.Reflow Soldering: บอร์ดผ่านเตาอบรีโฟลว์เพื่อหลอมครีมบัดกรี ยึดส่วนประกอบ SMT
3.การรวม THT: ส่วนประกอบแบบ Through-hole (ขั้วต่อ, ตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่) ถูกใส่เข้าไปในรูที่เจาะไว้ล่วงหน้า
4.Wave Soldering หรือ Manual Soldering: สายไฟ THT ถูกบัดกรี—ผ่านเครื่องบัดกรีแบบคลื่น (ปริมาณมาก) หรือการบัดกรีด้วยมือ (ปริมาณน้อย/ชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อน)
5.การตรวจสอบ: AOI แบบรวม (สำหรับ SMT) และ X-ray (สำหรับข้อต่อ THT ที่ซ่อนอยู่) ช่วยให้มั่นใจในคุณภาพ

ประโยชน์หลักของการประกอบ PCB แบบผสมผสาน
การประกอบแบบผสมผสานมีประสิทธิภาพเหนือกว่าแนวทางเทคโนโลยีเดียวในด้านที่สำคัญ ทำให้เป็นตัวเลือกสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน
1. ความน่าเชื่อถือและความทนทานที่เพิ่มขึ้น
ในการใช้งานที่มีการสั่นสะเทือน การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หรือความเครียดทางกล การประกอบแบบผสมผสานจะโดดเด่น:

  ก. บทบาทของ THT: สายไฟแบบ Through-hole สร้างจุดยึดทางกล ทนต่อการสั่นสะเทือน (20G+) และการหมุนเวียนความร้อน (-40°C ถึง 125°C) สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ PCB ใต้ฝากระโปรงรถยนต์หรือเครื่องจักรอุตสาหกรรม
  ข. บทบาทของ SMT: การบัดกรี SMT ที่แม่นยำช่วยลดความเมื่อยล้าของข้อต่อในบริเวณที่มีความเครียดต่ำ โดยมีข้อต่อ SMT 99.9% ที่รอดพ้นจากการหมุนเวียนความร้อน 10,000+ รอบ

ตัวอย่าง: หน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) ของรถยนต์ใช้ SMT สำหรับเซ็นเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์ (ความเครียดต่ำ) และ THT สำหรับขั้วต่อไฟ (การสั่นสะเทือนสูง) ลดอัตราความล้มเหลวลง 35% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบ SMT ทั้งหมด

2. ความยืดหยุ่นในการออกแบบ
การประกอบแบบผสมผสานปลดล็อกการออกแบบที่ไม่สามารถทำได้ด้วย SMT หรือ THT เพียงอย่างเดียว:

  ก. ความหนาแน่น + ความทนทาน: ใส่ BGAs พิทช์ 0.4 มม. (SMT) ควบคู่ไปกับขั้วต่อ D-sub ขนาดใหญ่ (THT) ในบอร์ดเดียวกัน—เหมาะสำหรับอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดแต่ใช้งานได้หลากหลาย เช่น จอภาพทางการแพทย์
  ข. ความหลากหลายของส่วนประกอบ: เข้าถึงชิ้นส่วนที่หลากหลายมากขึ้น ตั้งแต่ชิป RF ขนาดเล็ก (SMT) ไปจนถึงหม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูง (THT) โดยไม่มีการประนีประนอมในการออกแบบ

จุดข้อมูล: การประกอบแบบผสมผสานรองรับส่วนประกอบได้มากกว่าการออกแบบแบบ SMT หรือ THT ทั้งหมด 50% ตามการศึกษาของอุตสาหกรรม IPC

3. ประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด
ด้วยการจับคู่เทคโนโลยีกับฟังก์ชันของส่วนประกอบ การประกอบแบบผสมผสานช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของ PCB:

  ก. ความสมบูรณ์ของสัญญาณ: SMT ลดความยาวของร่องรอย ลดการสูญเสียสัญญาณในเส้นทางความเร็วสูง (10Gbps+) ตัวอย่างเช่น ตัวรับส่งสัญญาณ 5G ที่ติดตั้ง SMT ให้การสูญเสียการแทรกน้อยกว่าตัวเทียบเท่า THT 30%
  ข. การจัดการพลังงาน: ส่วนประกอบ THT (เช่น บล็อกขั้วต่อ) จัดการกระแสไฟ 10A+ โดยไม่ร้อนเกินไป ซึ่งมีความสำคัญสำหรับแหล่งจ่ายไฟและตัวควบคุมมอเตอร์

การทดสอบ: PCB แบบประกอบแบบผสมผสานในแหล่งจ่ายไฟอุตสาหกรรม 48V แสดงประสิทธิภาพสูงกว่าการออกแบบแบบ SMT ทั้งหมด 20% เนื่องจากมีการกระจายพลังงานที่เหนือกว่าของ THT

4. ประสิทธิภาพด้านต้นทุน
การประกอบแบบผสมผสานสร้างสมดุลระหว่างระบบอัตโนมัติและแรงงานคนเพื่อลดต้นทุน:

  ก. ระบบอัตโนมัติ SMT: การวาง SMT ปริมาณมาก (50,000 ชิ้น/ชั่วโมง) ช่วยลดต้นทุนแรงงานสำหรับส่วนประกอบขนาดเล็ก
  ข. THT ที่กำหนดเป้าหมาย: การใช้ THT เฉพาะสำหรับชิ้นส่วนที่สำคัญ (เช่น ขั้วต่อ) หลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายในการบัดกรีด้วยมือสำหรับส่วนประกอบทั้งหมด

การวิเคราะห์ต้นทุน: สำหรับการผลิต 1,000 หน่วย การประกอบแบบผสมผสานมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่า THT ทั้งหมด 15–25% (เนื่องจากระบบอัตโนมัติ SMT) และน้อยกว่า SMT ทั้งหมด 10% (โดยหลีกเลี่ยงชิ้นส่วนกำลังสูงที่เข้ากันได้กับ SMT ที่มีราคาแพง)

5. ความสามารถรอบด้านในอุตสาหกรรมต่างๆ
การประกอบแบบผสมผสานปรับให้เข้ากับความต้องการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่อุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคไปจนถึงระบบการบินและอวกาศ:

  ก. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค: SMT สำหรับการย่อขนาด (เช่น IC สมาร์ทโฟน) + THT สำหรับพอร์ตชาร์จ (แรงดันเสียบสูง)
  ข. อุปกรณ์ทางการแพทย์: SMT สำหรับเซ็นเซอร์ที่มีความแม่นยำ + THT สำหรับขั้วต่อไฟ (ความปลอดเชื้อและความทนทาน)
  ค. การบินและอวกาศ: SMT สำหรับอุปกรณ์การบินและอวกาศน้ำหนักเบา + THT สำหรับขั้วต่อที่ทนทาน (ทนต่อการสั่นสะเทือน)

การใช้งานการประกอบ PCB แบบผสมผสาน
การประกอบแบบผสมผสานแก้ปัญหาความท้าทายที่ไม่เหมือนใครในอุตสาหกรรมหลักต่างๆ พิสูจน์ให้เห็นถึงความสามารถรอบด้าน
1. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์
รถยนต์ต้องการ PCB ที่จัดการกับการสั่นสะเทือน อุณหภูมิที่สูงเกินไป และทั้งเซ็นเซอร์สัญญาณต่ำและระบบกำลังสูง:

  ก. SMT: ใช้สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ ECU, เซ็นเซอร์เรดาร์ และไดรเวอร์ LED (ขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา)
  ข. THT: ใช้สำหรับขั้วแบตเตอรี่, ที่ยึดฟิวส์ และขั้วต่อ OBD-II (กระแสไฟสูง เสียบปลั๊กบ่อย)

ผลลัพธ์: ECU แบบประกอบแบบผสมผสานในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ลดการเรียกร้องการรับประกันลง 40% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบ SMT ทั้งหมด ตามข้อมูลอุตสาหกรรมยานยนต์

2. อุปกรณ์ทางการแพทย์
PCB ทางการแพทย์ต้องการความแม่นยำ ความปลอดเชื้อ และความน่าเชื่อถือ:

  ก. SMT: ขับเคลื่อนเซ็นเซอร์ขนาดเล็กในเครื่องกระตุ้นหัวใจและจอภาพ EEG (พลังงานต่ำ ความหนาแน่นสูง)
  ข. THT: ยึดขั้วต่อสำหรับสายเคเบิลของผู้ป่วยและอินพุตพลังงาน (ความแข็งแรงทางกล ทำความสะอาดง่าย)

การปฏิบัติตาม: การประกอบแบบผสมผสานเป็นไปตามมาตรฐาน ISO 13485 และ FDA โดยมีข้อต่อที่แข็งแกร่งของ THT ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในระยะยาวในอุปกรณ์ฝังและเครื่องมือวินิจฉัย

3. เครื่องจักรอุตสาหกรรม
อุปกรณ์โรงงานต้องการ PCB ที่สามารถทนต่อฝุ่น ความชื้น และการใช้งานหนัก:

  ก. SMT: ควบคุม PLC และอาร์เรย์เซ็นเซอร์ (การประมวลผลสัญญาณที่รวดเร็ว)
  ข. THT: จัดการไดรเวอร์มอเตอร์ รีเลย์กำลัง และขั้วต่ออีเธอร์เน็ต (กระแสไฟสูง ทนต่อการสั่นสะเทือน)

ตัวอย่าง: PCB แบบประกอบแบบผสมผสานในแขนหุ่นยนต์ช่วยลดเวลาหยุดทำงานลง 25% โดยการรวมความเร็วสัญญาณของ SMT เข้ากับความต้านทานของ THT ต่อความเครียดทางกล

4. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค
ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงเครื่องใช้ในบ้าน การประกอบแบบผสมผสานสร้างสมดุลระหว่างขนาดและความทนทาน:

  ก. SMT: ช่วยให้การออกแบบบางเฉียบด้วยตัวต้านทานแบบพาสซีฟ 01005 และโมเด็ม 5G
  ข. THT: เพิ่มพอร์ต USB-C ที่แข็งแรงและแจ็คไฟ (ทนต่อการใช้งานในแต่ละวัน)

ผลกระทบต่อตลาด: 70% ของสมาร์ทโฟนสมัยใหม่ใช้การประกอบแบบผสมผสาน ตามรายงานอุตสาหกรรม เพื่อสร้างสมดุลระหว่างการย่อขนาดและความทนทานของพอร์ต

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการออกแบบสำหรับการประกอบ PCB แบบผสมผสาน
เพื่อให้ได้รับประโยชน์สูงสุดจากการประกอบแบบผสมผสาน ให้ปฏิบัติตามแนวทางการออกแบบเหล่านี้:
1. การวางส่วนประกอบ
  ก. แยกโซน: เก็บส่วนประกอบ SMT ไว้ในบริเวณที่มีความเครียดต่ำ (ห่างจากขั้วต่อ) และชิ้นส่วน THT ในโซนที่มีความเครียดสูง (ขอบ พอร์ต)
  ข. หลีกเลี่ยงความแออัดยัดเยียด: เว้นระยะห่าง 2–3 มม. ระหว่างรู THT และแผ่น SMT เพื่อป้องกันการเชื่อมบัดกรีระหว่างการบัดกรีแบบคลื่น
  ค. จัดตำแหน่งสำหรับระบบอัตโนมัติ: วางส่วนประกอบ SMT ในตารางที่เข้ากันได้กับเครื่องหยิบและวาง จัดวางชิ้นส่วน THT เพื่อให้ใส่ได้ง่าย

2. ข้อควรพิจารณาในการจัดวาง
  ก. การจัดการความร้อน: ใช้ฮีตซิงก์ THT และ vias ใกล้กับ IC SMT กำลังสูงเพื่อกระจายความร้อน
  ข. การกำหนดเส้นทางสัญญาณ: กำหนดเส้นทางร่องรอย SMT ความเร็วสูงให้ห่างจากเส้นทางพลังงาน THT เพื่อลด EMI
  ค. การปรับขนาดรู: รู THT ควรมีขนาดใหญ่กว่าสายไฟของส่วนประกอบ 0.1–0.2 มม. เพื่อให้แน่ใจว่ามีการบัดกรีที่เหมาะสม

3. DFM (การออกแบบเพื่อการผลิต)
  ก. การออกแบบลายฉลุ SMT: ใช้ลายฉลุที่ตัดด้วยเลเซอร์พร้อมอัตราส่วนแผ่นรองต่อช่องเปิด 1:1 เพื่อการใช้งานครีมบัดกรีที่สม่ำเสมอ
  ข. การวางรู THT: เว้นระยะห่างรู THT ≥2 มม. เพื่อหลีกเลี่ยงการอ่อนตัวของ PCB
  ค. จุดทดสอบ: รวมจุดทดสอบทั้ง SMT (สำหรับ AOI) และ THT (สำหรับการตรวจสอบด้วยตนเอง) เพื่อทำให้การตรวจสอบง่ายขึ้น

การเอาชนะความท้าทายในการประกอบแบบผสมผสาน
การประกอบแบบผสมผสานมีอุปสรรคที่ไม่เหมือนใคร แต่การวางแผนอย่างรอบคอบช่วยบรรเทาปัญหาเหล่านี้ได้:
1. ความเข้ากันได้ทางความร้อน
ความท้าทาย: ส่วนประกอบ SMT (เช่น IC พลาสติก) อาจหลอมละลายระหว่างการบัดกรีแบบคลื่น THT (250°C+)
วิธีแก้ไข: ใช้ส่วนประกอบ SMT อุณหภูมิสูง (พิกัด 260°C+) หรือป้องกันชิ้นส่วนที่ละเอียดอ่อนด้วยเทปทนความร้อนระหว่างการบัดกรีแบบคลื่น

2. ความซับซ้อนในการประกอบ
ความท้าทาย: การประสานงานขั้นตอน SMT และ THT อาจทำให้การผลิตช้าลง
วิธีแก้ไข: ใช้เวิร์กโฟลว์อัตโนมัติพร้อมเครื่องวาง SMT และเครื่องใส่ THT ในตัว ลดเวลาเปลี่ยนลง 50%

3. การควบคุมคุณภาพ
ความท้าทาย: การตรวจสอบข้อต่อ SMT และ THT ต้องใช้เครื่องมือที่แตกต่างกัน
วิธีแก้ไข: รวม AOI (สำหรับข้อต่อพื้นผิว SMT) และ X-ray (สำหรับบัดกรีบาร์เรล THT ที่ซ่อนอยู่) เพื่อตรวจจับข้อบกพร่อง 99.5%

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: การประกอบแบบผสมผสานมีราคาแพงกว่าการประกอบเทคโนโลยีเดียวหรือไม่
ตอบ: ในตอนแรก ใช่—โดย 10–15%—แต่ช่วยลดต้นทุนในระยะยาวผ่านอัตราความล้มเหลวที่ต่ำกว่าและประสิทธิภาพที่ดีกว่า สำหรับการผลิตปริมาณมาก การประหยัดมักจะชดเชยค่าใช้จ่ายล่วงหน้า

ถาม: การประกอบแบบผสมผสานสามารถจัดการกับการออกแบบความถี่สูง (5G, RF) ได้หรือไม่
ตอบ: แน่นอน ร่องรอยสั้นของ SMT ช่วยลดการสูญเสียสัญญาณในเส้นทาง 5G/RF ในขณะที่ขั้วต่อ THT ให้การป้องกัน RF ที่แข็งแกร่งเมื่อจำเป็น

ถาม: ปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำสำหรับการประกอบแบบผสมผสานคืออะไร
ตอบ: ผู้ผลิตส่วนใหญ่ยอมรับการผลิตขนาดเล็ก (10–50 หน่วย) สำหรับต้นแบบ โดยมีระบบอัตโนมัติปริมาณมากเข้ามาสำหรับ 1,000+ หน่วย

ถาม: ฉันจะเลือกระหว่าง SMT และ THT สำหรับส่วนประกอบเฉพาะได้อย่างไร
ตอบ: ใช้ SMT สำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็ก กำลังไฟต่ำ หรือความหนาแน่นสูง (IC, ตัวต้านทาน) ใช้ THT สำหรับส่วนประกอบขนาดใหญ่ กำลังไฟสูง หรือส่วนประกอบที่เสียบบ่อย (ขั้วต่อ, รีเลย์)

ถาม: การประกอบแบบผสมผสานทำงานร่วมกับ PCB แบบยืดหยุ่นได้หรือไม่
ตอบ: ใช่—PCB แบบผสมผสานแบบยืดหยุ่นใช้ SMT สำหรับบริเวณที่โค้งงอได้และ THT สำหรับส่วนที่แข็ง (เช่น บานพับโทรศัพท์แบบพับได้พร้อมเซ็นเซอร์ SMT และพอร์ตชาร์จ THT)

บทสรุป
การประกอบ PCB แบบผสมผสานเชื่อมช่องว่างระหว่างความแม่นยำของ SMT และความทนทานของ THT โดยนำเสนอโซลูชันที่หลากหลายสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ด้วยการรวมเทคโนโลยีที่เหมาะสมสำหรับแต่ละส่วนประกอบ ผู้ผลิตจึงบรรลุการออกแบบที่มีขนาดกะทัดรัด เชื่อถือได้ และคุ้มค่า—ซึ่งมีความสำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่ยานยนต์ไปจนถึงการแพทย์

ด้วยการออกแบบอย่างระมัดระวัง (แนวทางปฏิบัติ DFM การวางส่วนประกอบเชิงกลยุทธ์) และการควบคุมคุณภาพ (การตรวจสอบ AOI + X-ray) การประกอบแบบผสมผสานจึงให้ PCB ที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าแนวทางเทคโนโลยีเดียวในด้านความทนทาน ความยืดหยุ่น และประสิทธิภาพ ในขณะที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความซับซ้อนมากขึ้น การประกอบแบบผสมผสานจะยังคงเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของนวัตกรรม ทำให้เกิดอุปกรณ์รุ่นต่อไปที่มีขนาดเล็กลงและแข็งแกร่งกว่าที่เคยเป็นมา